خلية وقود

Demonstration model of a direct-methanol fuel cell. The actual fuel cell stack is the layered cube shape in the center of the image
Scheme of a proton-conducting fuel cell

خلية الوقود Fuel cell، هي خلايا وقود الهيدروجين، وهي التي تنتج الكهرباء من خلال تفاعل كهربائي كيميائي باستخدام الهيدروجين والأكسجين.

فهذه الخلية الكهروكيميائية تستخدم لانتاج الطاقة الكهربائية عن طريق تزويد الخلية بغازي الأكسجين و الهيدروحين باستمرار. عند الأنود يتأكسد الهيدروجين إلى بروتونات (التي تدور عن طريق الإلكترولايت إلى الأنود) وإلكترونات (التي تدور من خارج الخليةالى الأنود) حيث يلتقي الجميع مع الأكسجين الذي يختزل لتكوين الماء. يوحد انواع متعددة من الخلايا الوقودية والتي يمكن تصنيفها حسب نوع الالكترولايت الذي يحدد استخدامها النهائي. فعلى سبيل المثال تعتبر تلك التي تستخدم بوليمر موصل للبروتونات من الأكثر حظآ للإسخدام في السيارة الكهربائية بينما تلك التي تستخدم السيراميك الموصل لايون الأكسجين افضل للاستخدام المنزلي للتزود بالكهرباء و الحرارة. اخيرا تعتبر الخلايا الوقودية من اكثر وسائل توليد الطاقة حفاظا على البيئة.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التاريخ

المقالة الرئيسية: خط زمني لتقنيات الهيدروجين
رسم وليام گروڤ لخلية الوقود، عام 1839.

شهد منتصف القرن التاسع عشر الميلادي اختراع تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية في إنجلترا على يد السير وليام روبرت جروف، ولكن نظرا لعدم جدوى استخدامه في تلك الفترة، ظل هذا الاختراع حبيس الأدراج لأكثر من 130 سنة تقريبا، وعادت خلايا الوقود مرة أخرى للحياة في عقد الستينيات، وذلك عندما طورت شركة «جنرال إلكتريك» خلايا تعمل على توليد الطاقة الكهربائية اللازمة لإطلاق سفينتي الفضاء الشهيرتين «أپوللو» 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.

ومن الممكن أن نعقد مقارنة بين تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية وبطارية السيارة، من حيث فكرة دمج عنصري الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الكهرباء، لكن في حين أن البطاريات تتولى تخزين الوقود والعامل المؤكسد بداخلها مما يستوجب إعادة شحنها من حين لآخر، فإن خلايا الوقود تعمل بصفة مستمرة لأن وقودها 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.


أنواع خلايا الوقود، وتصميماتها

مخطط مغلق لخلية الوقود.
Construction of a high-temperature PEMFC: Bipolar plate as electrode with in-milled gas channel structure, fabricated from conductive composites (enhanced with graphite, carbon black, carbon fiber, and/or carbon nanotubes for more conductivity);[1] Porous carbon papers; reactive layer, usually on the polymer membrane applied; polymer membrane.
Condensation of water produced by a PEMFC on the air channel wall. The gold wire around the cell ensures the collection of electric current.[2]


مقارنة بين أنواع خلايا الوقود

اسم خلية الوقود الإلكترولايت كفاءة الطاقة (و.) درجة حرارة التشغيل (°س) الكفاءة (الخلية) الكفاءة (النظام) الحالة التكلفة (دولار/و.)
Metal hydride fuel cell Aqueous alkaline solution > -20
(50% Ppeak @ 0 °C) 		تجاري/بحثي
Electro-galvanic fuel cell Aqueous alkaline solution < 40 تجاري/ بحثي
Direct formic acid fuel cell (DFAFC) Polymer membrane (ionomer) < 50 W < 40 تجاري/ بحثي
بطارية الزنك-الهواء Aqueous alkaline solution < 40 إنتاج ضخم
Microbial fuel cell Polymer membrane or humic acid < 40 بحثي
Upflow microbial fuel cell (UMFC) < 40 بحثي
Regenerative fuel cell Polymer membrane (ionomer) < 50 تجاري/ بحثي
Direct borohydride fuel cell Aqueous alkaline solution 70 تجاري
Alkaline fuel cell Aqueous alkaline solution 10 – 100 kW < 80 60–70% 62% تجاري/ بحثي
Direct methanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) 100 mW – 1 kW 90–120 20–30% 10–25%[3] تجاري/ بحثي 125
Reformed methanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) 5 W – 100 kW 250–300 (Reformer)
125–200 (PBI) 		50–60% 25–40% تجاري/ بحثي
Direct-ethanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) < 140 mW/cm² > 25
? 90–120 		بحثي
Proton exchange membrane fuel cell Polymer membrane (ionomer) 1 W – 500 kW 50–100 (Nafion)[4]
125–220 (PBI) 		50–70% 30–50%[3] تجاري/ بحثي 50–100
RFC – Redox Liquid electrolytes with redox shuttle and polymer membrane (Ionomer) 1 kW – 10 MW بحثي
بطارية وقود حمض الفوسفوريك Molten حمض الفوسفوريك (H3PO4) < 10 MW 150-200 55% 40%[3]
Co-Gen: 90% 		تجاري/ بحثي 4–4.50
بطارية وقود الحمض الصلب H+-conducting oxyanion salt (solid acid) 10 W - 1 kW 200-300 55-60% 40-45% تجاري / بحثي
Molten carbonate fuel cell Molten alkaline carbonate 100 MW 600–650 55% 45-55%[3] تجاري/ بحثي
Tubular solid oxide fuel cell (TSOFC) O2--conducting ceramic oxide < 100 MW 850–1100 60–65% 55–60% تجاري/ بحثي
Protonic ceramic fuel cell H+-conducting ceramic oxide 700 بحثي
Direct carbon fuel cell مختلفة متعددة 700–850 80% 70% تجاري/ بحثي
Planar بطارية وقود الأكسيد الصلب O2--conducting ceramic oxide < 100 MW 500–1100 60–65% 55–60%[3] تجاري/ بحثي
بطاريات الوقود الحيوي الإنزيمي Any that will not denature the enzyme < 40 بحثي
بطارية وقود الماغنسيوم-الهواء ماء مالح −20 to 55 90% تجاري/ بحثي


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

كفاءة أنواع خلايا الوقود الرائدة

مخطط للأنواع المختلفة من خلايا الوقود

مسرد مصلحات الجدول:

  • المصعد أو الأنود: القطب الذي يحدث عنده الأكسدة (فقدان الإلكترونات). في خلايا الوقود والخلايا الگلڤانية الأخرى، الأنود هو الطرف السالب؛ للخلايا الكهربية (حيث تحدث الكهربة)، الأنود هو الطرف الموجب.[5]
  • محلول مائي: a: من، متعلق بـ، أو شبيه الماء b : مصنوع من، و، أو بواسطة الماء.[6]
  • المُحفز: مادة كيميائية تزيد معدل التفاعل بدون أن يم استهلاكها؛ بعد التفاعل، من المحتمل أن يتم استرجاعها من خليط التفاعل بدون أن يحدث لها تغير كيميائي. يخفض المحفز طاقة التنشيط المطلوبة، مما يسمح بالمضي في التفاعل بشكل أسرع، أو عند درجات حرارة أقل. في خليةالوقود، يسهل المحفز تفاعل الأكسجين والهيدروجين. يصنع عادة من مسحوق البلاتنيوم الذي يكون على هيئة طبقة رقيقة جداً مغلفة لورق كربون أو نسيج. المحفز يكون صلب جداً ومن السهل اختراقه لتعرض أكبر مساحة من سطح البلوتنيوم للهيدروجين أو الأكسجين. الجانب المغطى بالبلاتنيوم من المحفز تواجه الغشاء في خلية الوقود.[5]
  • المهبط أو الكاثود: هو القطب الذي يحدث في الاختزال (الحصول على الإلكترونات). في خلايا الوقود والخلايا الگلڤانية الأخرى، الكاثود هو القطب الموجب؛ في الخلايات الكهربائية (حيث تحدث الكهربة)، الكاثود هو القطب السالب.[5]
  • الكهرل: هو مادة توصل الأيونات المشحونة من مصعد إلى آخر في خلية الوقود، البطارية، أو المحلل الكهربائي.[5]
  • حزمة خلايا الوقود: خلايا وقود منفردة موصلة في سلسلة. تجمع خلايا الوقود لزيادة الجهد الكهربي.[5]
  • المصفوفة: أحياناً داخلها أو منها ينشأ أو يتطور أو يأخذ شكل، شيئاً آخر.[7]
  • الغشاء: طبقة فاصلة في خليةالوقود تعمل ككهرل (مبدل الأيونات) بالإضافة لعمله كطبقة حاجزة تفصل الغازات في أجزاء المصعد والمهبط داخل خلية الوقود.[5]
  • خلية وقود الكربونات المنصهرة (MCFC): نوع من خلايا الوقود يحتوي على كهرل كربونات نصهر. أيونات الكربونات (CO32−) تنتقل من المهبط إلى المصعد. درجات حرارة التشغيل تقارب 650 °س.[5]
  • خلية وقود حمض الفسفوريك (PAFC): نوع من خليا الوقود يتكون فيها الكهرل من حمض فسفوريك مركز (H3PO4). الپروتونات (H+) تنتقل من المصعد إلى المهبط. درجة حرارة التشغيل تتراوح عموماً بين 160–220 °س.[5]
  • كهرل غشاء الپوليمر (PEM): خلية وقود تدمج غشاء پوليمر صلب تستخدمه ككهرل. الپروتونات (H+) تنتقل من المصعد إلى المهبط. تتراوح درجة حرارة التشغيل عموماً بين y 60–100 °س.[5]
  • خلية وقود الأكسيد الصلب (SOFC): نوع من الوقود يكون فيه الكهرل أكسيد فلز صلب غير مسامي، عادة أكسيد الزركنيوم (ZrO2) المعالج ب Y2O3، و O2− ينتقل من المصعط إلى المهبط. أي أكسيد كربون في غاز reformate يتأكسد إلى CO2 عند المصعد. درجات حرارة التشغيل تكون 800–1,000 °س.[5]
  • محلول: a: يصنع بواسطة مادة صلبة، سائلة، أو غازية يتم خلطه بتجانس مع مادة سائلة وأحياناً غازية أو صلبة، b : يتشكل من خليط متجانس بواسطة هذه العملية؛ خاصة: نظام السوائل ذات المرحلة الواحدة، c : حالة يتم حله.[8]

لمزيد من المعلومات، انظر مسرد مصطلحات خلية الوقود

الاستخدامات

Type 212 submarine with fuel cell propulsion of the German Navy in dry dock

الطاقة

التوليد الجانبي

المركبات الكهربائية المزودة بخلايا الوقود (FCEVs)

المقالة الرئيسية: مركبة خلية الوقود, مركبة الهيدروجين, and قائمة مركبات خلايا الوقود
مكونات مركبة خلية الوقود
تويوتا ميراي
إلمنت ون، مركبة خلية وقود

السيارات

الحافلات

Toyota FCHV-BUS at the Expo 2005.

الرافعات الشوكية

الدراجات النارية

الطائرات

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

القوارب

أول قارب سجل بخلية وقود (هايدرا)، في لايپتسگ/ألمانيا.

أول قارب خلية وقود في العالم هو هايدرا الذي يستخدم نظام AFC بصافي إنتاج 6.5 ك.و. تعهدت آيسلندا بتحويل أسطولها الضخم من سفن الصيد إلى استخدام خلايا الوقود لتوفير طاقة مساعدة بحلول 2015، وفي النهاية، لتوفير طاقة أساسية لقواربها. أمستردام، طرحت مؤخراً أول زوارقها التي تعمل بخلية الوقود والتي تقوم بنقل الأشخاص حول قنوات المدينة الشهيرة الخلابة.[9]

الغواصات

الغواصات نوع 212 التابعة للبحرية الألمانية والإيطالية تستخدم خلايا الوقود لتبقى تحت الماء لأسبوعين بدون الحاجة للخروج على السطح.

محطات التزويد بالوقود

المقالة الرئيسية: محطة هيدروجين and Hydrogen highway
محطة تزويد هيدروجين.

هفي 2010 كان هناك أكثر من 85 محطة هيدروجين في الولايات المتحدة.[10]


انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ Kakati, B. K., Deka, D., "Effect of resin matrix precursor on the properties of graphite composite bipolar plate for PEM fuel cell", Energy & Fuels 2007, 21 (3):1681–1687.
  2. ^ "LEMTA – Our fuel cells". Perso.ensem.inpl-nancy.fr. Retrieved 2009-09-21.
  3. ^ أ ب ت ث ج Badwal, Sukhvinder P. S.; Giddey, Sarbjit S.; Munnings, Christopher; Bhatt, Anand I.; Hollenkamp, Anthony F. (24 September 2014). "Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies". Frontiers in Chemistry. 2. doi:10.3389/fchem.2014.00079.{{cite journal}}: CS1 maint: unflagged free DOI (link)
  4. ^ "Fuel Cell Comparison Chart" (PDF). Retrieved 2013-02-10.
  5. ^ أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر "Fuel Cell Technologies Program: Glossary". Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Fuel Cell Technologies Program. 7 July 2011. Accessed 3 August 2011.
  6. ^ "Aqueous Solution". Merriam-Webster Free Online Dictionary
  7. ^ "Matrix". Merriam-Webster Free Online Dictionary
  8. ^ "Solution". Merriam-Webster Free Online Dictionary
  9. ^ "Lovers introduces zero-emission boat" (in Dutch). NemoH2. 28 March 2011. Accessed 2 August 2011.
  10. ^ "Alternative Fueling Station Locator". U.S. Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Alternative Fuel & Advance Vehicle Center. 14 January 2010.

قراءات إضافية

  • Handbook of fuel cells: advances in electrocatalysis, materials, diagnostics and durability. Hoboken: John Wiley and Sons. 2009. {{cite book}}: Unknown parameter |editors= ignored (|editor= suggested) (help)
  • Gregor Hoogers (2003). Fuel Cell Technology – Handbook. CRC Press.
  • James Larminie; Andrew Dicks (2003). Fuel Cell Systems Explained (Second ed.). Hoboken: John Wiley and Sons.
  • Subash C. Singhal; Kevin Kendall (2003). High Temperature Solid Oxide Fuel Cells-Fundamentals, Design and Applications. Elsevier Academic Press.
  • Frano Barbir (2005). PEM Fuel Cells-Theory and Practice. Elsevier Academic Press.
  • EG&G Technical Services, Inc. (2004). Fuel Cell Technology-Handbook, 7th Edition. U.S. Department of Energy.
  • Matthew M. Mench (2008). Fuel Cell Engines. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
  • Noriko Hikosaka Behling (2012). Fuel Cells: Current Technology Challenges and Future Research Needs (First ed.). Elsevier Academic Press.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)

وصلات خارجية


تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=خلية_وقود&oldid=2256625"