خلية وقود
خلية الوقود Fuel cell، هي خلايا وقود الهيدروجين، وهي التي تنتج الكهرباء من خلال تفاعل كهربائي كيميائي باستخدام الهيدروجين والأكسجين.
فهذه الخلية الكهروكيميائية تستخدم لانتاج الطاقة الكهربائية عن طريق تزويد الخلية بغازي الأكسجين والهيدروحين باستمرار. عند الأنود يتأكسد الهيدروجين إلى بروتونات (التي تدور عن طريق الإلكترولايت إلى الأنود) وإلكترونات (التي تدور من خارج الخليةالى الأنود) حيث يلتقي الجميع مع الأكسجين الذي يختزل لتكوين الماء. يوحد انواع متعددة من الخلايا الوقودية والتي يمكن تصنيفها حسب نوع الالكترولايت الذي يحدد استخدامها النهائي. عملى سبيل المثال تعتبر تلك التي تستخدم بوليمر موصل للبروتونات من الأكثر حظآ للإسخدام في السيارة الكهربائية بينما تلك التي تستخدم السيراميك الموصل لايون الأكسجين افضل للاستخدام المنزلي للتزود بالكهرباء والحرارة. اخيرا تعتبر الخلايا الوقودية من اكثر وسائل توليد الطاقة حفاظا على البيئة.
التاريخ
شهد منتصف القرن التاسع عشر الميلادي اختراع تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية في إنجلترا على يد السير وليام روبرت جروف، ولكن نظرا لعدم جدوى استخدامه في تلك الفترة، ظل هذا الاختراع حبيس الأدراج لأكثر من 130 سنة تقريبا، وعادت خلايا الوقود مرة أخرى للحياة في عقد الستينيات، وذلك عندما طورت شركة «جنرال إلكتريك» خلايا تعمل على توليد الطاقة الكهربائية اللازمة لإطلاق سفينتي الفضاء الشهيرتين «أپوللو» و«جيمني»، بالإضافة إلى توفير مياه نقية صالحة للشرب، كانت الخلايا في تلك المركبتين كبيرة الحجم وباهظة التكلفة، لكنها أدت مهامها دون وقوع أي أخطاء، واستطاعت حتى توفر تيارا كهربائيا وكذلك مصدرا للمياه النقية الصالحة للشرب.
ومن الممكن حتى نعقد مقارنة بين تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية وبطارية السيارة، من حيث فكرة دمج عنصري الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الكهرباء، لكن في حين حتى البطاريات تتولى تخزين الوقود والعامل المؤكسد بداخلها مما يستوجب إعادة شحنها من حين لآخر، فإن خلايا الوقود تعمل بصفة مستمرة لأن وقودها والأكسجين يأتيان من مصادر خارجية، كما حتى خلايا الوقود في حد ذاتها ليست سوى رقائق مسطحة تنتج جميع واحدة منها فولطاً كهربائياً واحداً، وهذا يعني أنه حدثا زاد عدد الرقائق المستخدمة حدثا زادت قوة الجهد الكهربائي.
أنواع خلايا الوقود، وتصميماتها
مقارنة بين أنواع خلايا الوقود
| اسم خلية الوقود | الإلكترولايت | كفاءة الطاقة (و.) | درجة حرارة التشغيل (°س) | الكفاءة (الخلية) | الكفاءة (النظام) | الحالة | التكلفة (دولار/و.) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Metal hydride fuel cell | Aqueous alkaline solution |
> -20 (50% Ppeak @ 0 °C) |
تجاري/بحثي | ||||
| Electro-galvanic fuel cell | Aqueous alkaline solution | < 40 | تجاري/ بحثي | ||||
| Direct formic acid fuel cell (DFAFC) | Polymer membrane (ionomer) | < 50 W | < 40 | تجاري/ بحثي | |||
| بطارية الزنك-الهواء | Aqueous alkaline solution | < 40 | إنتاج ضخم | ||||
| Microbial fuel cell | Polymer membrane or humic acid | < 40 | بحثي | ||||
| Upflow microbial fuel cell (UMFC) | < 40 | بحثي | |||||
| Regenerative fuel cell | Polymer membrane (ionomer) | < 50 | تجاري/ بحثي | ||||
| Direct borohydride fuel cell | Aqueous alkaline solution | 70 | |||||
| Alkaline fuel cell | Aqueous alkaline solution | 10 – 100 kW | < 80 | 60–70% | 62% | تجاري/ بحثي | |
| Direct methanol fuel cell | Polymer membrane (ionomer) | 100 mW – 1 kW | 90–120 | 20–30% | 10–25% | تجاري/ بحثي | 125 |
| Reformed methanol fuel cell | Polymer membrane (ionomer) | 5 W – 100 kW |
250–300 (Reformer) 125–200 (PBI) |
50–60% | 25–40% | تجاري/ بحثي | |
| Direct-ethanol fuel cell | Polymer membrane (ionomer) | < 140 mW/cm² |
> 25 ? 90–120 |
بحثي | |||
| Proton exchange membrane fuel cell | Polymer membrane (ionomer) | 1 W – 500 kW |
50–100 (Nafion) 125–220 (PBI) |
50–70% | 30–50% | تجاري/ بحثي | 50–100 |
| RFC – Redox | Liquid electrolytes with redox shuttle and polymer membrane (Ionomer) | 1 kW –عشرة MW | بحثي | ||||
| بطارية وقود حمض الفوسفوريك | Molten حمض الفوسفوريك (H3PO4) | <عشرة MW | 150-200 | 55% |
40% Co-Gen: 90% |
تجاري/ بحثي | 4–4.50 |
| بطارية وقود الحمض الصلب | H+-conducting oxyanion salt (solid acid) | 10 W - 1 kW | 200-300 | 55-60% | 40-45% | تجاري / بحثي | |
| Molten carbonate fuel cell | Molten alkaline carbonate | 100 MW | 600–650 | 55% | 45-55% | تجاري/ بحثي | |
| Tubular solid oxide fuel cell (TSOFC) | O2--conducting ceramic oxide | < 100 MW | 850–1100 | 60–65% | 55–60% | تجاري/ بحثي | |
| Protonic ceramic fuel cell | H+-conducting ceramic oxide | 700 | بحثي | ||||
| Direct carbon fuel cell | مختلفة متعددة | 700–850 | 80% | 70% | تجاري/ بحثي | ||
| Planar بطارية وقود الأكسيد الصلب | O2--conducting ceramic oxide | < 100 MW | 500–1100 | 60–65% | 55–60% | تجاري/ بحثي | |
| بطاريات الوقود الحيوي الإنزيمي | Any that will not denature the enzyme | < 40 | بحثي | ||||
| بطارية وقود الماغنسيوم-الهواء | ماء مالح | −20 to 55 | 90% | تجاري/ بحثي |
كفاءة أنواع خلايا الوقود الرائدة
مسرد مصلحات الجدول:
- المصعد أوالأنود: القطب الذي يحدث عنده الأكسدة (فقدان الإلكترونات). في خلايا الوقود والخلايا الگلڤانية الأخرى، الأنود هوالطرف السالب؛ للخلايا الكهربية (حيث تحدث الكهربة)، الأنود هوالطرف الموجب.
- محلول مائي: a: من، متعلق بـ، أو شبيه الماء b : مصنوع من، و، أوبواسطة الماء.
- المُحفز: مادة كيميائية تزيد معدل التفاعل بدون حتى يم استهلاكها؛ بعد التفاعل، من المحتمل حتى يتم استرجاعها من خليط التفاعل بدون حتى يحدث لها تغير كيميائي. يخفض المحفز طاقة التنشيط المطلوبة، مما يسمح بالمضي في التفاعل بشكل أسرع، أوعند درجات حرارة أقل. في خليةالوقود، يسهل المحفز تفاعل الأكسجين والهيدروجين. يصنع عادة من مسحوق البلاتنيوم الذيقد يكون على هيئة طبقة رقيقة جداً مغلفة لورق كربون أونسيج. المحفزقد يكون صلب جداً ومن السهل اختراقه لتعرض أكبر مساحة من سطح البلوتنيوم للهيدروجين أوالأكسجين. الجانب المغطى بالبلاتنيوم من المحفز تقابل الغشاء في خلية الوقود.
- المهبط أوالكاثود: هوالقطب الذي يحدث في الاختزال (الحصول على الإلكترونات). في خلايا الوقود والخلايا الگلڤانية الأخرى، الكاثود هوالقطب الموجب؛ في الخلايات الكهربائية (حيث تحدث الكهربة)، الكاثود هوالقطب السالب.
- الكهرل: هومادة توصل الأيونات المشحونة من مصعد إلى آخر في خلية الوقود، البطارية، أوالمحلل الكهربائي.
- حزمة خلايا الوقود: خلايا وقود منفردة موصلة في سلسلة. تجمع خلايا الوقود لزيادة الجهد الكهربي.
- المصفوفة: أحياناً داخلها أومنها ينشأ أويتطور أويأخذ شكل، شيئاً آخر.
- الغشاء: طبقة فاصلة في خليةالوقود تعمل ككهرل (مبدل الأيونات) بالإضافة لعمله كطبقة حاجزة تفصل الغازات في أجزاء المصعد والمهبط داخل خلية الوقود.
- خلية وقود الكربونات المنصهرة (MCFC): نوع من خلايا الوقود يحتوي على كهرل كربونات نصهر. أيونات الكربونات (CO32−) تنتقل من المهبط إلى المصعد. درجات حرارة التشغيل تقارب 650 °س.
- خلية وقود حمض الفسفوريك (PAFC): نوع من خليا الوقود يتكون فيها الكهرل من حمض فسفوريك مركز (H3PO4). الپروتونات (H+) تنتقل من المصعد إلى المهبط. درجة حرارة التشغيل تتراوح عموماً بين 160–220 °س.
- كهرل غشاء الپوليمر (PEM): خلية وقود تدمج غشاء پوليمر صلب تستخدمه ككهرل. الپروتونات (H+) تنتقل من المصعد إلى المهبط. تتراوح درجة حرارة التشغيل عموماً بين y 60–100 °س.
- خلية وقود الأكسيد الصلب (SOFC): نوع من الوقودقد يكون فيه الكهرل أكسيد فلز صلب غير مسامي، عادة أكسيد الزركنيوم (ZrO2) المعالج ب Y2O3، وO2− ينتقل من المصعط إلى المهبط. أي أكسيد كربون في غاز reformate يتأكسد إلى CO2 عند المصعد. درجات حرارة التشغيل تكون 800–1,000 °س.
- محلول: a: يصنع بواسطة مادة صلبة، سائلة، أوغازية يتم خلطه بتجانس مع مادة سائلة وأحياناً غازية أوصلبة، b : يتشكل من خليط متجانس بواسطة هذه العملية؛ خاصة: نظام السوائل ذات الفترة الواحدة، c : حالة يتم حله.
لمزيد من المعلومات، انظر مسرد مصطلحات خلية الوقود
الاستخدامات
الطاقة
التوليد الجانبي
المركبات الكهربائية المزودة بخلايا الوقود (FCEVs)
السيارات
الحافلات
الرافعات الشوكية
الدراجات النارية
الطائرات
القوارب
أول قارب خلية وقود في العالم هوهايدرا الذي يستخدم نظام AFC بصافي إنتاج 6.5 ك.و. تعهدت آيسلندا بتحويل أسطولها الضخم من سفن الصيد إلى استخدام خلايا الوقود لتوفير طاقة مساعدة بحلول 2015، وفي النهاية، لتوفير طاقة أساسية لقواربها. أمستردام، طرحت مؤخراً أول زائريقها التي تعمل بخلية الوقود والتي تقوم بنقل الأشخاص حول قنوات المدينة الشهيرة الخلابة.
الغواصات
الغواصات نوع 212 التابعة للبحرية الألمانية والإيطالية تستخدم خلايا الوقود لتبقى تحت الماء لأسبوعين بدون الحاجة للخروج على السطح.
محطات التزويد بالوقود
هفي 2010 كان هناك أكثر من 85 محطة هيدروجين في الولايات المتحدة.
انظر أيضاً
- Alkaline Anion Exchange Membrane Fuel Cells
- Bio-nano generator
- Cryptophane
- تطوير الطاقة
- مركز معلومات تطويل خلية الوقود
- Fuel Cells and Hydrogen Joint Technology Initiative (in Europe)
- مسرد مصطلحات خلية الوقود
- شبكة تخزين الطاقة
- Hydrogen reformer
- تخزين الهيدروجين
- تقنيات الهيدروجين
- Microgeneration
- فصل الماء
- PEM electrolysis
المصادر
- ^ Kakati, B. K., Deka, D., "Effect of resin matrix precursor on the properties of graphite composite bipolar plate for PEM fuel cell", Energy & Fuels 2007, 21 (3):1681–1687.
- ^ "LEMTA – Our fuel cells". Perso.ensem.inpl-nancy.fr. Retrieved 2009-09-21.
- ^ Badwal, Sukhvinder P. S.; Giddey, Sarbjit S.; Munnings, Christopher; Bhatt, Anand I.; Hollenkamp, Anthony F. (24 September 2014). "Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies". Frontiers in Chemistry. 2. doi:10.3389/fchem.2014.00079.
- ^ "Fuel Cell Comparison Chart" (PDF). Retrieved 2013-02-10.
- ^ "Fuel Cell Technologies Program: Glossary". Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Fuel Cell Technologies Program.سبعة July 2011. Accessed ثلاثة August 2011.
- ^ "Aqueous Solution". Merriam-Webster Free Online Dictionary
- ^ "Matrix". Merriam-Webster Free Online Dictionary
- ^ "Solution". Merriam-Webster Free Online Dictionary
- ^ "Lovers introduces zero-emission boat" (in Dutch). NemoH2. 28 March 2011. Accessed 2 August 2011.
- ^ "Alternative Fueling Station Locator". U.S. Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Alternative Fuel & Advance Vehicle Center. 14 January 2010.
قراءات إضافية
-
Vielstich, W. et al., eds. (2009). Handbook of fuel cells: advances in electrocatalysis, materials, diagnostics and durability. Hoboken: John Wiley and Sons. Explicit use of et al. in:
|editors=(help)CS1 maint: uses editors parameter (link) - Gregor Hoogers (2003). Fuel Cell Technology – Handbook. CRC Press.
- James Larminie; Andrew Dicks (2003). Fuel Cell Systems Explained (Second ed.). Hoboken: John Wiley and Sons.
- Subash C. Singhal; Kevin Kendall (2003). High Temperature Solid Oxide Fuel Cells-Fundamentals, Design and Applications. Elsevier Academic Press.
- Frano Barbir (2005). PEM Fuel Cells-Theory and Practice. Elsevier Academic Press.
- EG&G Technical Services, Inc. (2004). Fuel Cell Technology-Handbook, 7th Edition. U.S. Department of Energy.
- Matthew M. Mench (2008). Fuel Cell Engines. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
- Noriko Hikosaka Behling (2012). Fuel Cells: Current Technology Challenges and Future Research Needs (First ed.). Elsevier Academic Press.
وصلات خارجية
- Fuel Cell Today – Market-based intelligence on the fuel cell industry
- Fuel starvation in a hydrogen fuel cell animation
- Animation how a fuel cell works and applications
- Fuel Cell Origins: 1840–1890
- TC 105[]IEC Technical standard for Fuel Cells
- EERE: Hydrogen, Fuel Cells and Infrastructure Technologies Program
- Thermodynamics of electrolysis of water and hydrogen fuel cells
- 2002-Portable Power Applications of Fuel Cells
- Fuel Cell and Hydrogen Energy Association
- DoITPoMS Teaching and Learning Package- "Fuel Cells"
- Solar Hydrogen Fuel Cell Water Heating
- Fuel Cell Technology – One for the Future
