سوف نتعرف في هذا المقال على أبرز  النقاط الرئيسية:

1. مفهوم مصطلح خلايا الوقود Fuel Cells.
2. آلية عمل خلايا الوقود ومكوناتها.
3. استخدامات خلايا الوقود، وتطبيقات الطاقة الهيدروجينية.
4. أبرز أنواع خلايا الوقود الهيدروجيني.

• أولاً: مفهوم مصطلح خلايا الوقود Fuel Cells:

خلية الوقود هي جهاز يولد طاقة كهربائية من خلال تفاعل كيميائي عن طريق تحويل الوقود ( الهيدروجين ) إلى كهرباء  على الرغم من أن خلايا الوقود والبطاريات تعتبر خلايا كهروكيميائية وتتكون من بنية متشابهة، تتطلب خلايا الوقود مصدرًا مستمرًا للوقود والأكسجين لتشغيلها على غِرار الطريقة التي يحتاج بها محرك الاحتراق الداخلي إلى تدفق مستمر للبنزين أو الديزل.

• ثانياً: آلية عمل خلايا الوقود ومكوناتها:

تعمل خلايا الوقود مثل البطاريات لكنها لا تنفد أو تحتاج إلى إعادة الشحن بل تنتج الكهرباء والحرارة طالما يتم توفير الوقود، كما تحتاج خلية الوقود إلى ثلاثة مكونات رئيسية لإنشاء التفاعل الكيميائي:

1. الأنود.
2. الكاثود.
3. الإلكتروليت.                                                     

أولاً يتم توجيه وقود الهيدروجين إلى الأنود عبر حقول التدفق ثم تتأين ذرات الهيدروجين ( منزوعة الإلكترونات )، بعد ذلك يدخل الأكسجين إلى خلية الوقود عند الكاثود حيث يتحد مع الإلكترونات العائدة من الدائرة الكهربائية وذرات الهيدروجين المتأينة بعد أن تلتقط ذرة الأكسجين الإلكترونات تنتقل عبر الإلكتروليت لتتحد مع أيون الهيدروجين بحيث يعمل مزيج الأكسجين والهيدروجين المتأين كأساس للتفاعل الكيميائي.

يسمح غشاء البوليمر المنحل بالكهرباء بمرور الأيونات المناسبة بين القطب الموجب والكاثود إذا أعطى المنحل بالكهرباء تحكماً مجانياً وحرية في مرور جميع الإلكترونات أو الأيونات فسيؤدي ذلك إلى تعطيل التفاعل الكيميائي، في نهاية العملية تتفاعل ذرات الهيدروجين موجبة الشحنة مع الأكسجين لتكوين الماء والحرارة أثناء تكوين شحنة كهربائية.

شكل (1): كيفية عمل خلايا الوقود.

• ثالثاً: استخدامات خلايا الوقود وتطبيقات الطاقة الهيدروجينية:

تُستخدم خلايا الوقود والطاقة الهيدروجينية لتشغيل مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل:

1. السيارات والشاحنات والحافلات والمركبات الترفيهية.
2. آلة لمناولة المواد.
3. العمل كمصدر طاقة أساسي لمراكز البيانات كبيرة الحجم، أو المباني التجارية والصناعية والسكنية.
4. مصدر طاقة احتياطي لشبكات الكمبيوتر والاتصالات الهامة.
5. توليد الطاقة في الموقع.

وبالتالي توفر تقنيات الهيدروجين وخلايا الوقود حلولاً فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة لتحسين احتياجاتنا من الطاقة.

• من أبرز فوائدها:

1. تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
2. الموثوقية العالية.
3. المرونة في التركيب والتشغيل.
4. تنمية مصادر الطاقة المتجددة.
5. انخفاض الطلب على النفط.
6. تحسين الجودة البيئية.

شكل (2): كيفية عمل خلايا الوقود الهيدروجينية.

• رابعاً: أبرز أنواع خلايا الوقود الهيدروجيني:

للوقود الهيدروجيني أنواع مختلفة، مثل:

1. الهيدروجين الرمادي: هو الشكل السائد حالياً لتصنيع الهيدروجين، ولكن نظراً لأنه مصنوع من الوقود الأحفوري فلا يُعد صديقاً للبيئة على الإطلاق.
2. الهيدروجين الأزرق: هو الذي يتم فيه عزل ثاني أكسيد الكربون المنبعث أثناء إنتاج الهيدروجين الرمادي عن طريق احتجاز الكربون وتخزينه وبالتالي إنتاج طاقة بإنبعاثات منخفضة جداً.
3. الهيدروجين الأخضر: وهو المصنوع من التحليل الكهربائي باستخدام الطاقة المتجددة، وهو الإصدار الوحيد من الوقود الخالي من ثاني أكسيد الكربون عند نقطة الاستخدام وعند نقطة الإنتاج.

تتسارع شركات النقل البري والبحري والجوي لاستبدال الوقود الأحفوري بالوقود الهيدروجيني؛ نظراً لكونه عديم من الانبعاثات الكربونية، وأيضاً تتمثل فوائده الرئيسية في النقل في أنه يوفر أوقاتاً لإعادة التزود بالوقود بالإضافة إلى ذلك يمكن تنفيذ البنية التحتية للهيدروجين بطريقة مماثلة للوقود التقليدي في كل محطة وقود عند مقارنته بشحن السيارة الكهربائية بالبطارية، لا يتطلب الهيدروجين أي ترقيات مكلفة ومعقدة للشبكة الكهربائية أو تركيب أجهزة الشحن في كل منزل.

خلايا وقود الهيدروجين وتكاليف التخزين أقل مقارنة بالبطاريات، وبالتالي يمكن للهيدروجين أن يحقق مدى طويل دون تعريض القدرة على تصنيع المركبات للخطر بأسعار معقولة.

شكل (3): مركبة كهربائية تعمل بخلايا الوقود الهيدروجينية:

وفي نهاية المقال نأمل بالمستقبل القريب بإذن الله الوصول إلى نظام يوفر طاقة نظيفة متجددة بنسبة 100% كالوقود الهيدروجيني واستخدامات عديدة في النقل، التدفئة، وتخزين الطاقة الخ.

هنا مرفق لكم فيديو مدبلج توضيحي عن خلايا الوقود وتطبيقاتها: