مبدأ عمل ومزايا مجموعة خلايا وقود الهيدروجين

خلية الوقودخلية الوقود هي نوع من أجهزة تحويل الطاقة، تُحوّل الطاقة الكهروكيميائية للوقود إلى طاقة كهربائية. تُسمى خلية الوقود لأنها تُولّد طاقة كهروكيميائية مع البطارية. خلية الوقود التي تستخدم الهيدروجين كوقود هي خلية وقود هيدروجينية. تُعرّف خلية وقود الهيدروجين بأنها تفاعل التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين. عملية تفاعل خلية وقود الهيدروجين نظيفة وفعالة. لا تقتصر كفاءة خلية وقود الهيدروجين على كفاءة دورة كارنو الحرارية البالغة 42% المستخدمة في محركات السيارات التقليدية، بل يمكن أن تتجاوز 60%.

بخلاف الصواريخ، تُولّد خلايا وقود الهيدروجين طاقة حركية من خلال التفاعل العنيف لاحتراق الهيدروجين والأكسجين، وتُطلق طاقة جيبس ​​الحرة في الهيدروجين عبر أجهزة تحفيزية. طاقة جيبس ​​الحرة هي طاقة كهروكيميائية تتضمن الإنتروبيا ونظريات أخرى. مبدأ عمل خلية وقود الهيدروجين هو أن الهيدروجين يتحلل إلى أيونات هيدروجين (أي بروتونات) وإلكترونات عبر المحفز (البلاتين) في القطب الموجب للخلية. تمر أيونات الهيدروجين عبر غشاء تبادل البروتونات إلى القطب السالب، ويتفاعل الأكسجين ليُكوّن ماءً وحرارة، وتتدفق الإلكترونات المقابلة من القطب الموجب إلى القطب السالب عبر الدائرة الخارجية لتوليد الطاقة الكهربائية.

فيمجموعة خلايا الوقوديحدث تفاعل الهيدروجين والأكسجين، ويحدث نقل شحنة خلال العملية، مما ينتج عنه تيار. في الوقت نفسه، يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين لإنتاج الماء.
كمجموعة تفاعلات كيميائية، يُعدّ غشاء تبادل البروتونات جوهر تقنية خلايا الوقود. يقع جانبا الغشاء بالقرب من طبقة المحفز لتحليل الهيدروجين إلى أيونات مشحونة. ولأن جزيء الهيدروجين صغير، يمكن للإلكترونات الحاملة له أن تنجرف إلى الاتجاه المعاكس عبر ثقوب الغشاء الصغيرة. ومع ذلك، أثناء مرور الإلكترونات الحاملة له عبر ثقوب الغشاء، تُنزع الإلكترونات من الجزيئات، تاركةً بروتونات الهيدروجين موجبة الشحنة فقط للوصول إلى الطرف الآخر عبر الغشاء.
بروتونات الهيدروجينتنجذب الإلكترونات إلى القطب الكهربائي على الجانب الآخر من الفيلم وتتحد مع جزيئات الأكسجين. تُقسّم صفائح الأقطاب الكهربائية على جانبي الفيلم الهيدروجين إلى أيونات هيدروجين موجبة وإلكترونات، وتُقسّم الأكسجين إلى ذرات أكسجين لالتقاط الإلكترونات وتحويلها إلى أيونات أكسجين (كهرباء سالبة). تُشكّل الإلكترونات تيارًا بين صفائح الأقطاب الكهربائية، ويتحد أيونان من الهيدروجين وأيون واحد من الأكسجين لتكوين الماء، الذي يُصبح "النفايات" الوحيدة في عملية التفاعل. باختصار، عملية التشغيل بأكملها هي عملية توليد الطاقة. مع تقدم تفاعل الأكسدة، تنتقل الإلكترونات باستمرار لتكوين التيار اللازم لتشغيل السيارة.