خلية وقود غشاء تبادل البروتون

مخطط خلية وقود غشاء تبادل البروتون

خلية وقود غشاء تبادل البروتون (بالإنجليزية: Proton exchange membrane fuel cell)‏ اختصاراً PEMFC، وتعهد أيضاً باسم غشاء تبادل البروتونات PEM هي نوع من أنواع خلايا الوقود التي تم تطويرها من أجل تطبيقات النقل ومن أجل تطبيقات الخلايا المحمولة. من أبرز مميزات هذه الخلايا هي أنها تعمل تحت درجات حرارة منخفضة نسبياً (50 – 100 درجة سلسيوس) وتحوي غشاء كهرل لدن خاص.

تستخدم هذه الخلية في الكثير من التطبيقات، خاصة في السيارات والهواتف المحمولة بسبب صغر حجمها.

عمل الخلية

التفاعل

شكل تخطيطي لتصميم خلية وقود غشاء تبادل البروتون

تحول خلية الطاقة ذات غشاء تبادل البروتونات الطاقة الكيميائية المتحررة أثناء التفاعل الكهروكيميائي للهيدروجين والأكسجين إلى طاقة كهربائية وهذا بخلاف الاحتراق المباشر لغازي الهيدروجين والأكسجين الذي يولد طاقة حرارية.

يتم ضخ تيار من الهيدروجين إلى جهة المصعد لهجريبة غشاء القطب MEA. وعند المصعد يتم فصل الهيدروجين تحفيزيا catalytically إلى بروتونات وإلكترونات. من الممكن التعبير عن تفاعل الأكسدة هذا بالصيغة التالية:

{\displaystyle \mathrm {H _{2 \rightarrow \mathrm {2H ^{+ +\mathrm {2e ^{-

{\displaystyle E^{o =0V

{\displaystyle \left(1\right)

تنفذ البروتونات الجديدة المحررة خلال الغشاء اللدن إلى طرف المهبط. أما الالكترونات فتنقل في الدارة الخارجية إلى المهبط لهجريبة غشاء القطب وهذا يولدتيار كهربائي على خرج خلية الوقود.

في هذه الأثناء يتم ضخ تيار من الأكسجين لطرف المهبط. وعند المهبط تتفاعل جزيئات الأكسجين مع البروتونات الحرة التي نفذت خلال الغشاء اللدن والإلكترونات التي وصلت عبر الدارة الخارجية لتشكيل جزيئات الماء. تفاعل الاختزال هذا الذي يمثل نصف عمل الخلية يمثل بالصيغة:

{\displaystyle \mathrm {4H ^{+ +\mathrm {4e ^{- +\mathrm {O _{2 \rightarrow \mathrm {2H _{2 \mathrm {O

{\displaystyle E^{o =1.229V

{\displaystyle \left(2\right)

غشاء إلكتروليت لدن

يجب على الغشاء حتى ينقل أيونات الهيدروجين (البروتونات) من أجل حتى يتم عمله بصورة سليمة، وليس نقل الإلكترونات لأن هذا يفترض أن يتسبب بحدوث دارة قصر في خلية الوقود. يجب حتى لا يسمح الغشاء أيضاً بمرور الغازات عبره وذلك درءاً لمشكلة تعهد باسم "عبور الغازات" gas crossover. أخيراً، يجب حتىقد يكون الغشاء مقاوماً لفرق طبيعة العمل القاسية بين المهبط والمصعد.

إن عملية فصل جزيء الهيدروجين تتم بصورة سهلة باستخدام محل البلوتونيوم. إلا حتى فصل جزئية الأكسجين هي عملية أصعب بكثير، وتسبب فقدان الكثير من الكهرباء. لم يتم اكتشاف محل مناسب لهذه العملية حتى اليوم، لذلك فإن البلوتونيوم يعتبر أفضل الحلول. أحد العوامل التي تسبب الضياعات هوممانعة الغشاء لعبور البروتونات، والتي من الممكن تخفيضها بجعل سماكة الغشاء أقل ما يمكن (عادة من مرتبة 50 ميكرومتر). إن التحكم بالماء هي عملية حرجة جداً، حيث حتى كمية كبيرة من الماء ستسبب فيضان في الغشاء، وكمية قليلة من الماء يفترض أن تجففه، وبكلا الحالتين فسيهبط خرج البطارية. أكثر أنواع الأغشية المستخدمة هي أغشية نافيون Nafion من شركة دوبونت التي تعتمد على ترطيب الغشاء بالماء من أجل نقل البروتونات. وهذا يؤدي إلى عدم تشغيل الخلية على درجة حرارة تزيد على 80 إلى 90 درجة سيلسيوس لأن ذلك سيسبب جفاف الغشاء. هناك أنواع أخرى تسمح بتشغيل الخلية على درجات حرارة أعلى مما يسمح بكفاءة أعلى للخلية. تتراوح كفاءة خلية PEM بين 40% إلى 60%.

تاريخ

قبل اختراع خلايا وقود PEM، كان يوجد أنواع من خلايا الوقود مثل خلايا وقود الأكاسيد الصلبة solid-oxide fuel cells والتي كانت تستخدم فقط في الظروف الصعبة. كانت هذه الأنواع من الخلايا تتطلب مواد غالية جداً كما حتى استخدامها انحصر في الاستخدامات الثابتة بسبب حجمها الكبير. كانت خلية وقود PEM الحل لهذه المشاكل. تم اختراع خلية وقود PEM في أوائل الستينات على يد ويلارد توماس غروب Willard Thomas Grubb ولي نيدراتش Lee Niedrach من شركة جنرال إلكتريك. في البداية تم استخدام غشاء من البولسترين المكبرت كمحل كهربائي، ولكن تم استبداله لاحقاً في عام 1966 بغشاء نافيون الذي أثبت تفوقه وطول عمره.

تم استخدام خلايا وقود PEM في سلسلة مركبات الفضاء جيمني Gemini التابعة لناسا، لكن تم استبدالها لاحقاً بخلايا وقود الألكالاين في برنامج أبولووفي مكوك الفضاء.

على الرغم من نجاحها في برامج الفضاء، كانت هذه الخلايا تستخدم في تطبيقات الفضاء والتطبيقات الأخرى ذات الكلفة العالية. لم يتم توسيع دائرة تطبيقات خلايا الوقود حتى أواخر الثمانيات وأوائل التسعينات من القرن العشرين.

مواقع خارجية

تاريخ خلايا وقود الغشاء مبادل البروتونات

مراجع

^ V. R. Stamenkovic, B. Fowler, B. S. Mun, G. Wang, P. N. Ross, C. A. Lucas, N. M. Marković. Activity on Pt₃Ni(111) via increased surface site availability (2007). "Improved Oxygen Reduction Activity on Pt3Ni(111) via Increased Surface Site Availability". Science. 315 (5811): 493–497. doi:10.1126/science.1135941. PMID 17218494. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ Wainright, J. S. (1995). "Acid-Doped Polybenzimidazoles: A New Polymer Electrolyte". Journal of The Electrochemical Society. 142 (7): L121. doi:10.1149/1.2044337.
^ Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program Multi-Year Research, Development and Demonstration Plan, U.S. Department of Energy, October 2007. نسخة محفوظة 24 سبتمبر 2015 على مسقط واي باك مشين.