مبدأ عمل ومزايا مجموعة خلايا وقود الهيدروجين

خلية الوقودخلية الوقود هي نوع من أجهزة تحويل الطاقة، حيث تحوّل الطاقة الكهروكيميائية للوقود إلى طاقة كهربائية. تُسمى خلية الوقود لأنها جهاز لتوليد الطاقة الكهروكيميائية يعمل بالتزامن مع البطارية. تُعرف خلية الوقود التي تستخدم الهيدروجين كوقود بخلية وقود الهيدروجين. ويمكن فهم خلية وقود الهيدروجين على أنها تفاعل التحليل الكهربائي للماء لإنتاج الهيدروجين والأكسجين. تتميز عملية التفاعل في خلية وقود الهيدروجين بالنظافة والكفاءة العالية. ولا تقتصر كفاءة خلية وقود الهيدروجين على نسبة 42%، وهي النسبة المحددة لدورة كارنو المستخدمة في محركات السيارات التقليدية، بل يمكن أن تصل كفاءتها إلى أكثر من 60%.

على عكس الصواريخ، تولد خلايا وقود الهيدروجين طاقة حركية من خلال التفاعل العنيف لاحتراق الهيدروجين والأكسجين، وتُطلق طاقة جيبس ​​الحرة الموجودة في الهيدروجين عبر أجهزة تحفيزية. طاقة جيبس ​​الحرة هي طاقة كهروكيميائية تتضمن الإنتروبيا ونظريات أخرى. مبدأ عمل خلية وقود الهيدروجين هو تحلل الهيدروجين إلى أيونات هيدروجين (أي بروتونات) وإلكترونات بواسطة عامل حفاز (البلاتين) في القطب الموجب للخلية. تمر أيونات الهيدروجين عبر غشاء تبادل البروتونات إلى القطب السالب، ويتفاعل الأكسجين ليتحول إلى ماء وحرارة، وتتدفق الإلكترونات المقابلة من القطب الموجب إلى القطب السالب عبر الدائرة الخارجية لتوليد الطاقة الكهربائية.

فيمجموعة خلايا الوقوديحدث تفاعل بين الهيدروجين والأكسجين، ويحدث انتقال للشحنات خلال هذه العملية، مما ينتج عنه تيار كهربائي. وفي الوقت نفسه، يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين لإنتاج الماء.
تُعدّ "غشاء تبادل البروتونات" النواة التكنولوجية الرئيسية لمجموعة خلايا الوقود، حيث يعمل كحوض للتفاعلات الكيميائية. يقع جانبا الغشاء بالقرب من طبقة المحفز لتحليل الهيدروجين إلى أيونات مشحونة. ولأن جزيء الهيدروجين صغير، فإن الإلكترونات الحاملة له تنجرف إلى الطرف المقابل عبر الثقوب الدقيقة للغشاء. ومع ذلك، أثناء مرور الإلكترونات عبر هذه الثقوب، تُنتزع الإلكترونات من جزيئات الهيدروجين، فلا يتبقى سوى بروتونات الهيدروجين الموجبة الشحنة التي تصل إلى الطرف الآخر عبر الغشاء.
بروتونات الهيدروجينتنجذب الإلكترونات إلى القطب الكهربائي على الجانب الآخر من الغشاء وتتحد مع جزيئات الأكسجين. تقوم ألواح الأقطاب الكهربائية على جانبي الغشاء بفصل الهيدروجين إلى أيونات هيدروجين موجبة وإلكترونات، وفصل الأكسجين إلى ذرات أكسجين لالتقاط الإلكترونات وتحويلها إلى أيونات أكسجين (كهرباء سالبة). تشكل الإلكترونات تيارًا كهربائيًا بين ألواح الأقطاب، ويتحد أيونان من الهيدروجين مع أيون أكسجين واحد لتكوين الماء، الذي يُعدّ الناتج الوحيد في عملية التفاعل. في جوهرها، تُعتبر عملية التشغيل بأكملها عملية توليد طاقة. ومع تقدم تفاعل الأكسدة، تنتقل الإلكترونات باستمرار لتكوين التيار اللازم لتشغيل السيارة.