تعد خلايا الوقود وسيلة لتحويل طاقة وقود الهيدروجين كهربائياً إلى كهرباء ، والمنتج الثانوي الوحيد لهذه العملية هو الماء.
عادةً ما يتم اشتقاق وقود الهيدروجين المستخدم حاليًا في خلايا الوقود من إعادة التكوين البخاري للميثان (أي تحويل الهيدروكربونات بالبخار والحرارة إلى ميثان) ، على الرغم من أنه قد يكون هناك نهج أكثر اخضرارًا ، مثل التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الطاقة الشمسية.
لسوء الحظ ، الميثانول قابل للاشتعال وسام للغاية. النقل والتخزين ليس بهذه السهولة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون الميثانول نقيًا جدًا لأنه يتلامس مباشرة مع الأغشية. يمكن أن تؤدي أيونات المعادن على وجه الخصوص إلى تدهور أداء خلايا الوقود بسرعة.
في هذا النوع من خلايا الوقود ، لا يتم ضخ الميثانول مباشرة في الغشاء النفاث ، ولكنه يمر عبر ما يسمى بخلية الوقود. يمكن العثور على خلايا الوقود هذه في السيارات الكهربائية مثل الرافعات الشوكية الكهربائية أو كحل احتياطي.
المكونات الرئيسية لخلية الوقود هي:
- الأنود الذي يتأكسد فيه الهيدروجين ؛
- الكاثود ، حيث يتم تقليل الأكسجين ؛
- غشاء بوليمر بالكهرباء يتم من خلاله نقل البروتونات أو أيونات الهيدروكسيد (اعتمادًا على الوسط) - لا يسمح بمرور الهيدروجين والأكسجين ؛
- تدفق الأكسجين والهيدروجين ، وهما المسؤولان عن إيصال هذه الغازات إلى القطب.
من أجل السلطة ، على سبيل المثال ، سيارة ، عدة خلايا الوقوديتم تجميعها في بطارية ، ويعتمد مقدار الطاقة التي توفرها هذه البطارية على المساحة الكليةالأقطاب الكهربائية وعدد العناصر الموجودة فيها. تتولد الطاقة في خلية الوقود على النحو التالي: يتأكسد الهيدروجين عند القطب الموجب ، وتُرسل الإلكترونات منه إلى القطب السالب ، حيث يتم تقليل الأكسجين. تتمتع الإلكترونات التي يتم الحصول عليها من أكسدة الهيدروجين عند القطب الموجب بقدرة كيميائية أعلى من الإلكترونات التي تقلل الأكسجين عند القطب السالب. هذا الاختلاف بين الإمكانات الكيميائية للإلكترونات يجعل من الممكن استخراج الطاقة من خلايا الوقود.
ومع ذلك ، نظرًا لأن عملية الإصلاح تتطلب درجة حرارة أعلى ، فإن الاستهلاك الذاتي في منطقة الاستعداد يجب أن يكون كثيفًا للطاقة. يمكن استخدام البروبان أو البوتان كوقود في هذه الخلية. يتم استخدامه في منطقة المنزل المتنقل حيث يتوفر الغاز السائل في كثير من الأحيان.
يمكنك العثور على مجموعتنا من خلايا الوقود على. معلومات إضافية متاحة أيضا في المنتجات الفردية. تشغيل خلايا الوقود أو بطاريات الهيدروجين. خلايا الوقود ، والتي تسمى أيضًا خلايا الهيدروجين أو غالبًا ما يشار إليها باسم خلايا الوقود ، هي أنظمة كهروكيميائية تعمل فيها الطاقة تفاعل كيميائيتحويلها مباشرة إلى كهرباء.
تاريخ الخلق
يعود تاريخ خلايا الوقود إلى ثلاثينيات القرن الماضي ، عندما صمم ويليام آر جروف أول خلية وقود هيدروجين. تستخدم هذه الخلية حامض الكبريتيك كإلكتروليت. حاول جروف إيداع النحاس من محلول مائي من كبريتات النحاس على سطح من الحديد. لاحظ أنه تحت تأثير تيار إلكتروني ، يتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. بعد هذا الاكتشاف ، أظهر جروف وكريستيان شوينباين ، الكيميائي بجامعة بازل (سويسرا) ، والذي عمل بالتوازي معه ، في نفس الوقت في عام 1839 إمكانية توليد الطاقة في خلية وقود الهيدروجين والأكسجين باستخدام إلكتروليت حمضي. هذه المحاولات المبكرة ، على الرغم من كونها بدائية في طبيعتها ، جذبت انتباه العديد من معاصريهم ، بما في ذلك مايكل فاراداي.
على عكس البطارية الكهربائية أو المركب ، لا تنفد خلية الوقود ولا تحتاج إلى إعادة الشحن ؛ يعمل طالما يتم توفير الوقود والمؤكسد من خارج البطارية. تتكون خلية الوقود من أنود يُحقن فيه الوقود - الهيدروجين في هذه الحالة - وكاثود يُحقن فيه مؤكسد - عادةً الهواء أو الأكسجين. يتم فصل قطبي خلية الوقود بواسطة إلكتروليت أيوني موصل.
مبدأ عملها هو الجانب الآخر من التحليل الكهربائي. على سبيل المثال ، أثناء التحليل الكهربائي للماء ، يتم فصل هذا المركب إلى مكونين له: الهيدروجين والأكسجين ، أثناء وجوده في خلية وقود كهرباءيمكن الحصول عليها من خلال تفاعل بين هذين الغازين.
استمر البحث في خلايا الوقود ، وفي الثلاثينيات من القرن الماضي ، بدأ F.T. قدم بيكون مكونًا جديدًا لخلية الوقود القلوية (أحد أنواع خلايا الوقود) - غشاء التبادل الأيوني لتسهيل نقل أيونات الهيدروكسيد.
من أشهر الأمثلة التاريخية على استخدام خلايا الوقود القلوية استخدامها كمصدر رئيسي للطاقة أثناء الرحلات الفضائية في برنامج أبولو.
اعتمادًا على نوع خلايا الوقود ، تتراوح الكفاءة بين 35٪ و 60٪. المشكلة الحالية هي الوقت عمر البطاريةوالتكاليف. على الرغم من أن خلايا الوقود معروفة منذ أكثر من 150 عامًا ، إلا أنه لم يتم التعرف عليها إلا في العقدين الماضيين كواحدة من أكثر تقنيات توليد الطاقة الواعدة. يقوم برنامج وزارة الطاقة الأمريكية ، إلى جانب مؤسسات في بلدان أخرى ، بالاستثمار في هذه التقنيات لبعض الوقت. ومع ذلك ، لا يزال قيد الدراسة في حل الجوانب الفنية التي تؤثر على تآكل وموثوقية بعض المكونات.
تم اختيارها من قبل وكالة ناسا لقوة تحملها واستقرارها التقني. لقد استخدموا غشاءًا موصلًا للهيدروكسيد كان متفوقًا في الكفاءة على أخته لتبادل البروتونات.
منذ ما يقرب من قرنين من الزمان منذ إنشاء أول نموذج أولي لخلية الوقود ، تم بذل الكثير من العمل لتحسينها. بشكل عام ، تعتمد الطاقة النهائية التي يتم الحصول عليها من خلية الوقود على حركية تفاعل الأكسدة والاختزال ، والمقاومة الداخلية للخلية ، وانتقال كتلة الغازات والأيونات المتفاعلة إلى المكونات النشطة تحفيزيًا. على مر السنين ، تم إجراء العديد من التحسينات على الفكرة الأصلية ، مثل:
تتميز أنظمة خلايا الوقود بانبعاثات منخفضة. إذا تم استخدام الهيدروجين فقط في الخلايا ، فسوف تحصل على البخار والكهرباء. سيؤدي استخدام الهيدروكربونات لإنتاج الهيدروجين فعليًا إلى القضاء على انبعاثات أكاسيد النيتروجين وأول أكسيد الكربون. نظرًا لأن كفاءتها أعلى من كفاءة محركات الاحتراق الداخلي ، سيتم أيضًا تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
يمكن أن توفر خلايا الوقود إجابة لمتطلبات الطاقة المختلفة. كفاءة هذه الأجهزة لا تعتمد على الحجم كما يحدث في أنظمة الطاقة الأخرى. هذه الحقيقة تسمح باستخدامه في أنظمة الطاقة المصغرة والمحمولة. من المحتمل أن تكون كفاءتها أعلى من أي نظام آخر ، مما يجعلها جذابة بشكل خاص للتطبيقات الثابتة عالية أو منخفضة الطاقة ويتم استخدامها بالفعل كنظم احتياطية في المستشفيات وبعض الصناعات ومحطات نقل الهواتف المحمولة.
1) استبدال أسلاك البلاتين بأقطاب من الكربون بجسيمات نانوية من البلاتين ؛ 2) اختراع أغشية عالية التوصيل والانتقائية ، مثل Nafion ، لتسهيل نقل الأيونات ؛ 3) الجمع بين الطبقة المحفزة ، على سبيل المثال ، الجسيمات النانوية البلاتينية الموزعة على قاعدة كربونية ، مع أغشية التبادل الأيوني ، مما ينتج عنه وحدة غشاء - قطب كهربائي مع مقاومة داخلية دنيا ؛ 4) استخدام وتحسين مجالات التدفق لتوصيل الهيدروجين والأكسجين إلى السطح الحفاز ، بدلاً من تخفيفها مباشرة في المحلول.
بالإضافة إلى ذلك ، تمثل خلايا الوقود الآن أملًا حقيقيًا في سوق النقل. خلايا وقود الهيدروجين صامتة وتنتج الماء كنفايات بالإضافة إلى الكهرباء والحرارة. لذلك ، فإن الانتقال التدريجي للمركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي إلى السيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود سيجعل مدننا أكثر صحة وسلامًا. على الرغم من أن هذه المركبات الكهربائية لا تزال غير فعالة من حيث التكلفة ، إلا أن الجهود المبذولة لتمويل المشاريع الإيضاحية تُبذل في جميع البلدان الصناعية ، وخاصة في أوروبا ، لمركبات النقل الحضرية.
أدت هذه التحسينات وغيرها في النهاية إلى تقنية كانت فعالة بما يكفي لاستخدامها في سيارات مثل Toyota Mirai.
خلايا الوقود مع أغشية تبادل الهيدروكسيد
تجري جامعة ديلاوير بحثًا حول تطوير خلايا الوقود بأغشية تبادل الهيدروكسيد - HEMFCs (خلايا وقود غشاء تبادل الهيدروكسيد). خلايا الوقود التي تحتوي على أغشية تبادل الهيدروكسيد بدلاً من أغشية تبادل البروتونات - PEMFCs (خلايا وقود غشاء تبادل البروتون) - تواجه أقل واحدة من المشاكل الكبيرة لـ PEMFCs - مشكلة استقرار المحفز ، نظرًا لأن الكثير كمية كبيرةتكون محفزات الفلزات الأساسية مستقرة في البيئات القلوية عنها في البيئات الحمضية. إن استقرار المحفزات في المحاليل القلوية أعلى نظرًا لحقيقة أن انحلال المعادن يطلق طاقة أكثر عند درجة حموضة منخفضة مقارنة مع درجة حموضة عالية. تم تخصيص معظم العمل في هذا المختبر أيضًا لتطوير محفزات أنوديك وكاثودية جديدة لأكسدة الهيدروجين وتفاعلات تقليل الأكسجين لتسريعها بشكل أكثر كفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، يقوم المختبر بتطوير أغشية جديدة لتبادل الهيدروكسيد ، حيث لم يتم بعد تحسين الموصلية والمتانة لهذه الأغشية من أجل التنافس مع أغشية تبادل البروتون.
تكتسب خلايا الوقود ، وخاصة خلايا وقود الهيدروجين ، اهتمامًا متزايدًا نظرًا لقدرتها على إنتاج كهرباء نظيفة ، فضلاً عن العديد من التطبيقات التي تمتلكها ، مثل سيارات الهيدروجين. ولكن كيف يعمل؟ ما هي التفاعلات التي تحدث داخل خلية الوقود؟ وما هي العناصر التي يتم احتسابها؟ حسنًا ، نظرًا لأن هذه مدونة حول خلايا الوقود ، سنحاول شرح كيفية عمل خلية وقود الهيدروجين.
خلية الوقود عبارة عن محول طاقة ، وهي تتكون أساسًا من تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في المواد المتفاعلة إلى طاقة كهربائية ، بحيث يتم تحقيق تيار كهربائي ، مما يسمح بتزويد الأجهزة المختلفة. أثناء عملية الاحتراق هذه ، تنكسر الروابط الكيميائية بين الوقود والمؤكسد ، وتنتج إعادة التكوين الإلكترونية منتجًا سيكون ماء في حالة الهيدروجين والأكسجين. الطاقة النهائية للنواتج أقل من تلك الخاصة بالمواد المتفاعلة.
ابحث عن محفزات جديدة
يتم تفسير سبب فقد الجهد الزائد في تفاعل اختزال الأكسجين بعلاقات المقياس الخطي بين المنتجات الوسيطة لهذا التفاعل. في الآلية التقليدية المكونة من أربعة إلكترونات لهذا التفاعل ، يتم تقليل الأكسجين بالتتابع ، مما ينتج عنه منتجات وسيطة - OOH * ، O * و OH * ، لتكوين الماء في النهاية (H2O) على السطح الحفاز. نظرًا لأن طاقات الامتزاز للمنتجات الوسيطة على محفز فردي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض ، لم يتم العثور على محفز ، على الأقل من الناحية النظرية ، لن يكون له خسائر في الجهد الزائد. على الرغم من أن معدل هذا التفاعل منخفض ، فإن التغيير من وسط حمضي إلى وسط قلوي ، كما هو الحال في HEMFC ، لا يؤثر عليه كثيرًا. ومع ذلك ، فإن معدل تفاعل أكسدة الهيدروجين انخفض إلى النصف تقريبًا ، وهذه الحقيقة تحفز البحث الهادف إلى إيجاد سبب هذا الانخفاض واكتشاف محفزات جديدة.
يتم إطلاق هذا الاختلاف في الطاقة كحرارة ، لأنه على الرغم من وجود إعادة تكوين للإلكترونات بين الجزيئات ، إلا أنه يحدث بسرعة كبيرة ، على نطاق دون ذري وفي مثل هذه النقاط ، بحيث تكون الطريقة الوحيدة للاستفادة من هذه الطاقة هي في شكل حرارة . من أجل إنتاج طاقة كهربائية في حالة وجود محرك احتراق داخلي ، من الضروري أولاً تحويلها طاقة حراريةإلى طاقة ميكانيكية ، ومن ثم فهو موجود بالفعل في الطاقة الكهربائية المطلوبة.
ومع ذلك ، فإن خلية الوقود قادرة على تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في المواد المتفاعلة إلى طاقة كهربائية دون المرور بمراحل الطاقة الحرارية والميكانيكية ، وبالتالي فإن كفاءتها أكبر من كفاءة محرك الاحتراق الداخلي. الفكرة هي جمع الإلكترونات التي يتم نقلها أثناء إعادة التكوين الإلكتروني ، مما يؤدي إلى إنتاج المنتجات وتمريرها عبر موصل وتوليد تيار كهربائي. لتحقيق هذا التحول المباشر ، تستخدم خلايا الوقود بعناية التفاعلات الكهروكيميائية ، والتي لا تشبه إلى حد بعيد التفاعلات الكيميائية.
مزايا خلايا الوقود
على عكس الوقود الهيدروكربوني ، تعتبر خلايا الوقود أكثر أمانًا ، إن لم تكن مثالية بيئةولا تنتج غازات الدفيئة نتيجة لأنشطتها. علاوة على ذلك ، فإن وقودهم (الهيدروجين) متجدد من حيث المبدأ ، حيث يمكن الحصول عليه عن طريق التحلل المائي للماء. وبالتالي ، فإن خلايا وقود الهيدروجين تعد في المستقبل بأن تصبح جزءًا كاملاً من عملية إنتاج الطاقة ، حيث يتم استخدام الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لإنتاج وقود الهيدروجين ، والذي يستخدم بعد ذلك في خلية وقود لإنتاج الماء. وبالتالي ، فإن الدورة مغلقة ولا تترك بصمة كربونية.
حسنًا ، حسنًا ، لكن كيف يمكنك تجميع هذه الإلكترونات؟ المفتاح هو فصل تفاعلات إطلاق الإلكترون وتفاعلات تجريد الإلكترون ، لذلك يأخذ نقل الإلكترون مسارًا طويلاً. لذا فإن ما يتم فعله هو فصل إمداد الوقود والمؤكسد بحيث يتم إطلاق الإلكترونات أثناء تأكسد الوقود وتشغيلها حتى تصل إلى النقطة التي يتم فيها تقليل المؤكسد.
الشكل 1: رسم تخطيطي لتشغيل خلية وقود الهيدروجين. يمكنك أن ترى كيف يتم فصل التفاعلات بحيث يمر تدفق الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية. لنلقِ نظرة على المعادلة ، فهي توضح احتراق الهيدروجين ، والذي سيحدث في التفاعل المباشر للهيدروجين مع الأكسجين. ومع ذلك ، إذا قسمنا هذا التفاعل إلى قسمين ، يحدث كل منهما على حدة ، ويمكننا استخدام تدفق الإلكترونات. تمثل المعادلة أكسدة الهيدروجين بينما يحدث اختزال الأكسجين.
على عكس البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، تتمتع خلايا الوقود بميزة أنها لا تحتاج إلى إعادة الشحن - يمكنها البدء على الفور في توفير الطاقة بمجرد الحاجة إليها. أي ، إذا تم تطبيقها ، على سبيل المثال ، في مجال المركبات ، فلن يكون هناك أي تغييرات تقريبًا من جانب المستهلك. على عكس الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ، يمكن لخلايا الوقود إنتاج الطاقة بشكل مستمر وهي أقل اعتمادًا على الظروف الخارجية. في المقابل ، لا تتوفر الطاقة الحرارية الأرضية إلا في مناطق جغرافية معينة ، في حين أن خلايا الوقود مرة أخرى لا تعاني من هذه المشكلة.
من الناحية الفنية هذا كيف يتم تحقيقه؟ دعنا ننتقل إلى الشكل. 1 هو الحل الأكثر تطبيقا. لدينا أنه يتم توفير الوقود للقطب الكهربائي ، حيث يتم تطبيق المحفز ، مما يسمح بتسريع تفاعل أكسدة الوقود. من ناحية أخرى ، يتم تغذية المؤكسد إلى القطب الآخر ، والذي يحتوي أيضًا على محفز ، مما يجعل من الممكن زيادة معدل تفاعل الاختزال. كما ترى ، يوجد غشاء بين القطبين له وظيفة مزدوجة. من ناحية ، لفصل تدفق المواد المتفاعلة ، لأنه إذا تم خلطها ، فسيؤدي ذلك إلى حدوث كلا التفاعلين على كلا الإلكترونين ، ومن ثم سيكون لدينا بالفعل.
خلايا وقود الهيدروجين هي واحدة من أكثر الخلايا الواعدة مصادر بديلةالطاقة بفضل قابليتها للنقل والمرونة من حيث الحجم.
تعقيد تخزين الهيدروجين
بالإضافة إلى مشاكل عيوب الأغشية الحالية والمحفزات ، ترتبط الصعوبات التقنية الأخرى لخلايا الوقود بتخزين وقود الهيدروجين ونقله. يحتوي الهيدروجين على طاقة نوعية منخفضة جدًا لكل وحدة حجم (كمية الطاقة لكل وحدة حجم عند درجة حرارة وضغط معينين) وبالتالي يجب تخزينه عند ضغط مرتفع جدًا لاستخدامه في المركبات. خلاف ذلك ، سيكون حجم الحاوية لتخزين الكمية المطلوبة من الوقود كبيرًا بشكل مستحيل. بسبب قيود تخزين الهيدروجين هذه ، بذلت محاولات لإيجاد طرق لإنتاج الهيدروجين من شيء آخر غير شكله الغازي ، كما هو الحال في خلايا وقود الهيدريد المعدني. ومع ذلك ، فإن تطبيقات خلايا الوقود الاستهلاكية الحالية ، مثل Toyota Mirai ، تستخدم الهيدروجين فوق الحرج (الهيدروجين عند درجات حرارة أعلى من 33 كلفن والضغوط فوق 13.3 الغلاف الجوي ، أي أعلى من القيم الحرجة) ، وهذا هو الخيار الأكثر ملاءمة الآن.
ثانيًا ، يتصرف مثل المنحل بالكهرباء ، مما يعني أنه يحتوي على أيونات حرة يتنقل معها. حسنًا ، لأننا إذا تابعنا ردود الفعل ، وكان من الضروري إغلاق تدفق هذه الشحنات ، فلن تحدث التفاعلات.
الشكل 2: الإمداد المستقل للكواشف لكل قطب كهربائي من خلال قنوات لوحة التغذية. من الواضح أن هناك تكوينات ومحفزات وهياكل مختلفة ، لكنها كلها تستند إلى نفس المفهوم لفصل تفاعلات الأكسدة والاختزال. لكن يبقى سؤال واحد بحاجة إلى إجابة ، كيف تختلف خلية الوقود عن البطارية؟ حسنًا ، ستستمر خلية الوقود ، من حيث المبدأ ، في إنتاج الكهرباء بينما يتم توفير كلا المفاعلين للبطاريات ، على النقيض من ذلك ، لا يتم تزويد المواد المتفاعلة خارجيًا بقدرتها المحدودة على إنتاج الطاقة الكهربائية.
آفاق المنطقة
بسبب الصعوبات التقنية الحالية ومشاكل الحصول على الهيدروجين من المياه باستخدام الطاقة الشمسية ، في المستقبل القريب ، من المرجح أن يركز البحث بشكل أساسي على إيجاد مصادر بديلة للهيدروجين. تتمثل إحدى الأفكار الشائعة في استخدام الأمونيا (نيتريد الهيدروجين) مباشرة في خلية الوقود بدلاً من الهيدروجين ، أو لإنتاج الهيدروجين من الأمونيا. والسبب في ذلك هو أن الأمونيا أقل طلبًا من حيث الضغط ، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتخزين والتحرك. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر الأمونيا جذابة كمصدر للهيدروجين لأنها لا تحتوي على الكربون. هذا يحل مشكلة تسمم المحفز بسبب بعض ثاني أكسيد الكربون في الهيدروجين المنتج من الميثان.
لذلك ، يمكن القول إن خلية الوقود هي جهاز يسمح بالتحويل المباشر للطاقة الكيميائية المخزنة في المواد المتفاعلة إلى طاقة كهربائية من خلال سلسلة من التفاعلات الكهروكيميائية ، والتي ستستمر نظريًا في توليد التيار طالما أن المواد المتفاعلة تعمل بالطاقة .
خلايا الوقود ، وتسمى أيضًا خلايا الهيدروجين أو خلايا الوقود ، هي نظام كهروكيميائي يتم فيه تحويل طاقة التفاعل الكيميائي مباشرة إلى كهرباء ، على غرار البطارية ، ولكن مع عدم نضوب خلايا الوقود. كما أنها لا تحتاج إلى إعادة شحنها وتوليد الكهرباء من مصدر خارجي ، وقود وأكسجين.
في المستقبل ، قد تجد خلايا الوقود تطبيقات واسعة في تكنولوجيا المركبات وتوليد الطاقة الموزعة ، كما هو الحال في المناطق السكنية. على الرغم من حقيقة أن استخدام خلايا الوقود كمصدر رئيسي للطاقة في الوقت الحالي يتطلب الكثير نقودومع ذلك ، إذا تم العثور على محفزات أرخص وأكثر كفاءة وأغشية مستقرة ذات موصلية عالية ومصادر بديلة للهيدروجين ، فقد تصبح خلايا وقود الهيدروجين جذابة للغاية من الناحية الاقتصادية.
تتكون خلية الوقود من أنود يتم حقن الوقود فيه - عادة الهيدروجين - وكاثود يتم فيه حقن مادة مؤكسدة - هواء أو أكسجين - ، بينما يتم فصل الأقطاب بواسطة إلكتروليت أيوني موصل. وبالتالي ، يمكننا تحديد عمليتها بيانيا.
حاول لانجر بناء وحدة تستخدم الهواء وغاز الفحم الصناعي. لاحظ نيرنست أن الزركونيت بالعناصر المختلفة له عدة أنواع من التوصيل الكهربائي. كان أسوأ الاختبارات هو انخفاض كثافة التيار بسبب المقاومة الداخلية العالية.
قد تصبح السيارة التي تعمل بالماء حقيقة واقعة قريبًا وسيتم تركيب خلايا وقود الهيدروجين في العديد من المنازل ...
تقنية خلايا وقود الهيدروجين ليست جديدة. بدأت في عام 1776 عندما اكتشف هنري كافنديش لأول مرة الهيدروجين أثناء إذابة المعادن في الأحماض المخففة. اخترع ويليام جروف أول خلية وقود هيدروجين في عام 1839. منذ ذلك الحين ، تم تحسين خلايا وقود الهيدروجين تدريجياً ويتم الآن تركيبها في مكوكات فضائية ، لتزويدها بالطاقة وتعمل كمصدر للمياه. اليوم ، أصبحت تقنية خلايا وقود الهيدروجين على وشك الوصول إلى السوق الشامل ، في السيارات والمنازل والأجهزة المحمولة.
في خلية وقود الهيدروجين ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية (على شكل هيدروجين وأكسجين) مباشرة (بدون احتراق) إلى طاقة كهربائية. تتكون خلية الوقود من كاثود وأقطاب وأنود. يتم تغذية القطب الموجب بالهيدروجين ، حيث ينقسم إلى بروتونات وإلكترونات. البروتونات والإلكترونات لها طرق مختلفة للكاثود. تنتقل البروتونات عبر القطب إلى القطب السالب ، وتنتقل الإلكترونات حول خلايا الوقود للوصول إلى القطب السالب. تولد هذه الحركة طاقة كهربائية قابلة للاستخدام لاحقًا. على الجانب الآخر ، تتحد بروتونات الهيدروجين والإلكترونات مع الأكسجين لتكوين الماء.
المحلل الكهربائي طريقة واحدة لاستخراج الهيدروجين من الماء. هذه العملية هي في الأساس عكس ما يحدث عندما تعمل خلية وقود الهيدروجين. يتكون المحلل الكهربائي من أنود وخلية كهروكيميائية وكاثود. يتم تطبيق الماء والجهد على القطب الموجب ، والذي يقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يمر الهيدروجين عبر الخلية الكهروكيميائية إلى الكاثود ويتم تغذية الأكسجين مباشرة إلى الكاثود. من هناك ، يمكن استخراج الهيدروجين والأكسجين وتخزينهما. في الأوقات التي لا يلزم فيها إنتاج الكهرباء ، يمكن سحب الغاز المتراكم من المخزن وإعادته عبر خلية الوقود.
يستخدم هذا النظام الهيدروجين كوقود ، وهذا على الأرجح سبب وجود العديد من الأساطير حول سلامته. بعد انفجار هيندنبورغ ، بدأ الكثير من الناس بعيدين عن العلم وحتى بعض العلماء يعتقدون أن استخدام الهيدروجين خطير للغاية. ومع ذلك ، فقد أظهرت الأبحاث الحديثة أن سبب هذه المأساة كان بسبب نوع المادة التي تم استخدامها في البناء ، وليس إلى الهيدروجين الذي تم ضخه في الداخل. بعد اختبار سلامة تخزين الهيدروجين ، وجد أن تخزين الهيدروجين في خلايا الوقود أكثر أمانًامن تخزين البنزين فيه خزان الوقودالسيارات.
كم تكلفة خلايا وقود الهيدروجين الحديثة؟؟ تقدم الشركات حاليًا الهيدروجين أنظمة الوقودإنتاج الطاقة بتكلفة حوالي 3000 دولار للكيلوواط. بحوث التسويقوجدت أنه عندما تنخفض التكلفة إلى 1500 دولار للكيلوواط ، سيكون المستهلكون في سوق الطاقة الجماعية مستعدين للتحول إلى هذا النوع من الوقود.
لا تزال المركبات التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين أغلى ثمناً من مركبات محركات الاحتراق ، لكن الشركات المصنعة تستكشف طرقًا لرفع السعر إلى مستوى مماثل. في بعض المناطق النائية حيث لا توجد خطوط كهرباء ، قد يكون استخدام الهيدروجين كوقود أو مصدر طاقة مستقل في المنزل أكثر اقتصادا الآن من ، على سبيل المثال ، بناء البنية التحتية لشركات الطاقة التقليدية.
لماذا لا تزال خلايا وقود الهيدروجين غير مستخدمة على نطاق واسع؟ في الوقت الحالي ، يعد ارتفاع تكلفتها هو المشكلة الرئيسية لتوزيع خلايا وقود الهيدروجين. أنظمة وقود الهيدروجين ببساطة ليس لديها طلب جماعي في الوقت الحالي. ومع ذلك ، فإن العلم لا يقف مكتوفي الأيدي ، وفي المستقبل القريب يمكن أن تصبح السيارة التي تسير على الماء حقيقة واقعة.