page contents
مبادئ فيزيائية

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

كشفت شركة مرسيدس-بنز حديثا عن سيارة من طراز جديد اف 600 هايجينيوس كأحدث سيارة من سلسلة سيارات الابحاث التي تطورها الشركة لتكون شكلاً من اشكال سيارات المستقبل، وفكرة هذه السيارة انها تعمل بمحرك كهربائي يستمد طاقته من خلايا للوقود صديقة للبيئة لا ينبعث منها اي غازات سامة بل. تعتمد فكرة عمل خلايا الوقود على التفاعل الكيماوي الحاصل بين الهيدروجين والاكسجين لتوليد الطاقة الكهربائية في عملية لا تؤدي الى انبعاث أي غازات بلي تنتج عن هذا التفاعل ماء صالحا للشرب، وبالتالي فإن هذه المحركات هي محركات صديقة للبيئة ولا تشكل اي نوع من الخطورة عليها وتعتبر كفاءة هذا المحرك عالية بالمقارنة بمحركات البنزين والديزل حيث تستهلك هذه السيارة المدمجة، ذات خلية الوقود المعدومة الانبعاثات، ما يعادل 2.9 لتر من الوقود لكل 100 كيلومتر ويبلغ مداها التشغيلي اكثر من 400 كيلومتر، وتبلغ القوة القصوى للسيارة 115 حصاناً. تم الكشف عن هذه السيارة في معرض طوكيو للسيارات في اكتوبر من العام 2005. في هذه المقالة من تفسيرات فيزيائية سوف نقوم بشرح فكرة عمل خلايا الوقود وميزاتها واستخداماتها الحالية والمستقبلية.

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

 جهاز كمبيوتر دفتري يحصل على الطاقة الكهربية من خلية وقود


أصبح البحث 
عن بدائل للوقود التقليدي “النفط” أمرًا ضرورياً بالنسبة للدول الصناعية المتقدمة ولا سيما بعد الارتفاع الملحوظ لاسعار الوقود على مستوى العالم وترصد هذه الدول المبالغ المالية الطائلة لتمويل ابحاث البحث عن مصادر للطاقة البديلة والمقصود هنا بديلة عن النفط، وفي المقابل عكف العلماء والباحثون على إجراء الدراسات والابحاث للحصول على مصادر بديلة للطاقة، فقد تم تطوير استخدام الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية، واستخدام طاقات المد والجذر  وأمواج البحر كطاقات حركية يمكن تحويلها لطاقة كهربائية، أو استخدام المياه الساقطة من الشلالات لتويد الطاقة الكهربية والاستعاضة بالعديد من مصادر الطاقة البديلة عن الوقود التقليدي.

 

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cellsتم اختراع تقنية خلايا الوقود في انجلترا في منتصف القرن التاسع عشر  الميلادي على يد السير وليام روبرت جروف  William grove، منذ اكثر من 160 عاماً حيث لم يكن يعلم ان اختراعه الذي وضعه في العام 1839 سيحل مشكلة تواجه العالم في القرن الواحد والعشرين لاكتشاف خلايا الوقود التي يمكن عن طريقها الحصول على الكهرباء من الهيدروجين أو الكحول دون أي عملية احتراق؛ وبذلك يكون قد حل المعادلة الصعبة، وهي الحصول على طاقة نظيفة من غير أن نلوث البيئة وبأقل الأسعار؛ حيث إن المشكلة ثلاثية الجوانب: الطاقة، والبيئة، والتكلفة. وهي الاتجاهات الثلاثة التي يصبو العلماء لحلها.

والحل يكمن في هذه الخلية الصغيرة التي تدعى خلية الوقود، ولكن نظرا لعدم جدوى استخدامه في تلك الفترة، ظل هذا الاختراع حبيس الأدراج لأكثر من  130 سنة، ولكن عادت خلايا الوقود مرة أخرى للحياة في عقد الستينيات، وذلك عندما طورت شركة «جنرال إليكتريك» خلايا تعمل على توليد الطاقة الكهربائية اللازمة لإطلاق سفينتي الفضاء الشهيرتين «أبوللو» 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 أن توفر  تيارا كهربائيا وكذلك مصدرا للمياه النقية الصالحة للشرب.

تتميز خلايا الوقود عن البطاريات التقليدية في اعتمادها على دمج عنصري الهيدروجين والأكسيجين لإنتاج الكهرباء والتي تحصل الخلية عليهما من مصدر خارجي ولا تعدان من مكونات خلية الوقود نفسها وهذا ما يعطي لهذه الخلايا الاهمية بالمقارنة مع البطاريات، حيث أن في البطاريات التقليدية فإن مكونات البطارية هي اساس توليد الطاقة حيث يحدث التفاعل الكيميائي لمكونات البطارية لانتاج الطاقة الكهربية وتستمر هذه العملية الى حين انتهاء المواد الكيميائية المتفاعلة فتتوقف البطارية لحين إعادة حنها مرة أخرى، في حين إن خلايا الوقود تعمل بصفة مستمرة لأن وقودها الهيدروجين والأكسجين يأتيان من مصادر خارجية، كما أن خلايا الوقود في حد ذاتها ليست سوى رقائق مسطحة تنتج كل واحدة منها فولطاً كهربائياً واحداً، وهذا يعني أنه كلما زاد عدد الرقائق المستخدمة كلما زادت قوة الجهد الكهربائي.

 

تعتبر خلية الوقود أداة لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربية اي انها تقوم من خلال تفاعلات كيميائية بتحويل الهيدروجين والاكسجين إلى ماء وينتج عن هذه العملية طاقة كهربية.  وبالمقارنة مع البطارية التقليدية المعروفة فإن الاختلاف يكمن في ان المواد الكيميائية الداخلة في التفاعل لتوليد الكهرباء هي جزء من تركيب البطارية وتوجد في داخلها، وبانتهاء المواد الكيميائية هذه فإن البطارية تصبح عديمة الفائدة ويتم استبداله أو اعادة شحنها مرة اخرى، في حين ان خلايا الوقود لا يمكن ان تنتهي فهي تعمل باستمرار لان مصدر المواد الكيميائية هي من الهواء.

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

شرائح من خلايا الوقود تستخدم كمصدر للطاقة في السيارات

يوجد العديد من خلايا الوقود تصنف حسب المواد الكيميائية التي تستخدمها، وكذلك صفائح المحلل  electrolyte  التي تستخدماها.  والنوع الاكثر شيوعا ورواجا هو خلية الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) والموضح فكرة عملها في الشكل التالي:

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

 فكرة عمل وتركيب خلية الوقود لانتاج الطاقة الكهربية

 

يوضح الشكل اعلاه تركيب خلية الوقود وفكرة عملها تتلخص في المراحل التالية:

هذه هي التفاعلات الكيميائية التي تحدث على طرفي الخلية

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

إن النماذج البسيطة التي تصنع منها الخلية الهيدروجينية والمستخدمة في وسائط النقل تنتج  والي 1.16 Volt لذلك يتم وصل عدد كبير من الخلايا لتوليد الطاقة الكهربائية المطلوبة . يبين الشكل التالي خلية هيدروجينية مكونة من عدد كبير من الشرائح لتوليد فرق الجهد المطلوب. 

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

لقد تنوعت أماكن استخدام الخلية الهيدروجينية واختلفت التصاميم و الأبعاد الموضوعة لها تبعاً للطاقة المطلوبة منها وفي الصورتين التاليتن مثالاً لذلك

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

 دراجة نارية تستخدم وقود الهيدروجين بدلا من الوقود التقليدي من خلال خلايا الوقود

 

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

سيارة تعمل بواسطة محرك كهربي يحصل على الطاقة من خلايا الوقود الهيدروجيني

كيف تعمل خلايا الوقود Fuel Cells

لعلك عزيزي القارئ لاحظت بساطة الفكرة وسهولة تطبيقها وحالياً تعقد الكثير من الأبحاث على إيجاد تطبيقات جديدة لخلايا لوقود؛ حتى تصبح بديلًا لكل صور الطاقة الأخرى، وتكون بحق وقود المستقبل وقود القرن الواحد والعشرين. 

 

لمزيد من المعلومات يرجى الاطلاع على المواقع التالية

http://www.howstuffworks.com/fuel-cell.htm

http://academic.evergreen.edu/g/grossmaz/macombbd.htm

http://www.estarfuturecorp.com/fuelcellworks.html

http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/grove.htm


تحياتي وإلى اللقاء مع تفسيرات فيزيائية جديدة

د. حازم فلاح سكيك




الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

إغلاق