مقدمة عن طاقة الهيدروجين وخلايا الوقود

يمكن تقسيم خلايا الوقود إلىغشاء تبادل البروتوناتخلايا الوقود (PEMFC) وخلايا وقود الميثانول المباشر وفقًا لخصائص الإلكتروليت والوقود المستخدم

خلايا الوقود الميثانولية المباشرة (DMFC)، وخلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC)، وخلايا وقود الكربونات المنصهرة (MCFC)، وخلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC)، وخلايا الوقود القلوية (AFC)، وغيرها. على سبيل المثال، تعتمد خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFC) بشكل أساسي علىغشاء تبادل البروتوناتتستخدم خلايا الوقود القلوية (AFC) محلولاً إلكتروليتياً قلوياً مائياً، مثل محلول هيدروكسيد البوتاسيوم، كوسيط لنقل البروتونات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تقسيم خلايا الوقود، وفقاً لدرجة حرارة التشغيل، إلى خلايا وقود عالية الحرارة وخلايا وقود منخفضة الحرارة. تشمل الأولى بشكل رئيسي خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC) وخلايا وقود الكربونات المنصهرة (MCFC)، بينما تشمل الثانية خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFC) وخلايا وقود الميثانول المباشر (DMFC) وخلايا الوقود القلوية (AFC) وخلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC)، وغيرها.

غشاء تبادل البروتوناتتستخدم خلايا الوقود (PEMFC) أغشية بوليمرية حمضية مائية كإلكتروليت. يجب أن تعمل خلايا PEMFC بغاز الهيدروجين النقي نظرًا لانخفاض درجة حرارة تشغيلها (أقل من 100 درجة مئوية) واستخدامها لأقطاب كهربائية من المعادن النفيسة (أقطاب كهربائية أساسها البلاتين). بالمقارنة مع أنواع خلايا الوقود الأخرى، تتميز خلايا PEMFC بانخفاض درجة حرارة التشغيل، وسرعة بدء التشغيل، وكثافة الطاقة العالية، واستخدام إلكتروليت غير قابل للتآكل، وعمر خدمة طويل. لذا، أصبحت هذه التقنية هي السائدة حاليًا في مركبات خلايا الوقود، كما تُستخدم جزئيًا في الأجهزة المحمولة والثابتة. ووفقًا لشركة E4 Tech، من المتوقع أن تصل شحنات خلايا وقود PEMFC إلى 44,100 وحدة في عام 2019، ما يمثل 62% من الحصة العالمية؛ بينما تصل القدرة المركبة المقدرة إلى 934.2 ميغاواط، ما يمثل 83% من النسبة العالمية.

تستخدم خلايا الوقود التفاعلات الكهروكيميائية لتحويل الطاقة الكيميائية الناتجة عن الوقود (الهيدروجين) عند المصعد والمؤكسد (الأكسجين) عند المهبط إلى طاقة كهربائية لتشغيل المركبة. وتشمل المكونات الأساسية لخلايا الوقود نظام المحرك، ومصدر الطاقة المساعد، والمحرك الكهربائي. ويتكون نظام المحرك بشكل رئيسي من المحرك نفسه، والذي يتألف من مفاعل كهربائي، ونظام تخزين الهيدروجين في المركبة، ونظام التبريد، ومحول الجهد DCDC. ويُعد المفاعل المكون الأكثر أهمية، فهو المكان الذي يتفاعل فيه الهيدروجين والأكسجين. ويتكون من عدة خلايا مفردة مكدسة معًا، وتشمل المواد الرئيسية المستخدمة فيه الألواح ثنائية القطب، والأقطاب الغشائية، والألواح الطرفية، وغيرها.