نوع جديد من خلايا الوقود، قادر على توفير كهرباء عالية الأداء، أثناء العمل في درجات حرارة عالية
تعتبر خلايا الوقود أكثر كفاءة من خلايا البطاريات العادية، لأنها يمكن شحنها بسرعة وتطلق فقط منتجات ثانوية نظيفة - الماء. وبالتالي، فإن تكنولوجيا خلايا الوقود هي تكنولوجيا خضراء واعدة لها تطبيقات في السيارات والأجهزة المنزلية، فضلا عن صناعة الفضاء والتطبيقات البحرية.
خطوة مهمة في تطوير هذه التكنولوجيا الصديقة للبيئة تم اتخاذها مؤخرًا من قبل مجموعة البحث للبروفيسور داريو ديكل من التخنيون، بمساعدة منحة بحثية من مؤسسة العلوم الوطنية. وقام البروفيسور ديكل وفريقه بتطوير خلية وقود تعتمد على غشاء التبادل "الأنيوني"، وهو عبارة عن أيونات مشحونة بشحنة كهربائية سالبة، (AEMFC) تعمل في درجات حرارة عالية. كما هو الحال في الخلية الكهروكيميائية، تشتمل خلية الوقود على أقطاب كهربائية (الكاثود والأنود، حيث تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال)؛ وغشاء بوليمر إلكتروليت، والذي يسمح بتدفق الأيونات بين الأقطاب الكهربائية. على عكس خلايا البطاريات الكهروكيميائية التقليدية التي تستخدم الأيونات المعدنية التي يتم تخزينها للتشغيل، تعمل خلية الوقود بإمداد مستمر من الوقود (مثل الهيدروجين والميثانول وما إلى ذلك) والأكسجين (من الهواء المحيط). إذا تم الحفاظ على الإمداد، تستمر خلية الوقود في العمل. التفاعلات الكهروكيميائية النموذجية التي تحدث في خلايا الوقود هي أكسدة الهيدروجين عند الأنود واختزال الأكسجين عند الكاثود.
ومعدل هذه التفاعلات الكهروكيميائية منخفض جدًا، لذا يجب استخدام المحفزات المعدنية المصنوعة من المعادن الثمينة (مثل البلاتين والبلاديوم). يعتمد النوع الشائع من خلايا الوقود على غشاء تبادل البروتون (PEMFC)، وخلايا وقود حمض الفوسفوريك، وخلايا الوقود القلوية والمزيد. في الآونة الأخيرة، تم تطوير فئة فرعية من خلايا الوقود القلوية، بناءً على غشاء التبادل الأنيوني (AEMFCs)، حيث يتم استخدام غشاء بوليمري لنقل أيونات الهيدروكسيد (OH).-) (أنيون ثنائي الذرة من الأكسجين والهيدروجين) بين الأقطاب الكهربائية. تتفوق خلايا الوقود هذه على خلايا الوقود التقليدية لأنها تستخدم محفزات معدنية غير مكلفة، مثل الحديد والنيكل، بدلاً من البلاتين الباهظ الثمن، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة المنتج. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لـ AEMFC العمل بمجموعة واسعة من أنواع الوقود، مثل الوقود المعتمد على النيتروجين، والذي لا يمكن استخدامه في PEMFC. خلايا الوقود ذات غشاء التبادل الأنيوني قادرة على أداء عمليات طويلة الأمد لأنها تحتوي على مواد مستقرة جدًا في بيئة الخلية العاملة. في السنوات الأخيرة كان هناك تطور كبير في تكنولوجيا AEMFC من حيث الموصلية OH- مما أدى إلى زيادة أداء خلايا الوقود هذه. إلا أن درجة حرارة تشغيل هذه الخلايا كانت منخفضة جداً (40-80 درجة مئوية)، على الرغم من الحاجة إلى خلية وقود فعالة تعمل في درجات حرارة أعلى.
نجح البروفيسور ديكل وفريقه مؤخرًا في تطوير خلايا وقود تعتمد على غشاء تبادل أنيوني عالي الحرارة، قادر على العمل في درجات حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية. أظهر غشاء التبادل الأنيوني (AEM) الذي تم اختباره عند 110 درجة مئوية موصلية عالية لهيدروكسيد (OH)-) والتي كانت قريبة من 300 ملليسيمين لكل سم (سيمنز هي وحدة التوصيل الكهربائي)، وهي نسبة أعلى بكثير مما تم الإبلاغ عنه سابقًا. تم تصميم طريقة تم تطويرها سابقًا من قبل مجموعة البروفيسور ديكل ("خارج الموقع")، لقياس موصلية الهيدروكسيد الحقيقية عند درجات حرارة عالية. تتضمن هذه الطريقة تطبيق تيار كهربائي خارجي عبر الغشاء، لإجبار إطلاق الأنيونات الكبيرة على شكل ثاني أكسيد الكربون من قطب كهربائي واحد بمساعدة التكوين الموضعي لـ (OH)-) في القطب المعاكس. يتم تشغيل التيار بشكل مستمر حتى يتم استبدال جميع الأنيونات الموجودة في الغشاء بـ OH-.
هذه الطريقة سهلة التنفيذ وتوفر ظروفًا بيئية مشابهة لخلية الوقود في حالة العمل. أظهر غشاء التبادل الأنيوني لخلايا الوقود عند درجات الحرارة المرتفعة الذي طورته مجموعة البحث في التخنيون أداءً عاليًا: حافظت خلايا الوقود على أداء قدره 0.8 فولت بعد 50 ساعة من التشغيل بكثافة تيار ثابتة تبلغ 200 مللي أمبير لكل متر مربع. هذا الاكتشاف لإمكانية تشغيل غشاء التبادل الأنيوني لخلايا الوقود في درجات حرارة عالية فتح مجالًا جديدًا للبحث وحقق علامة فارقة في تكنولوجيا خلايا الوقود المعتمدة على غشاء التبادل الأنيوني.
كما قامت مجموعة البحث بقيادة البروفيسور ديكل، بالتعاون مع البروفيسور براندون من التخنيون، بتصميم نموذج حسابي يسمح بالتنبؤ باستقرار أداء خلايا الوقود على أساس أغشية التبادل الأنيوني. يأخذ النموذج في الاعتبار معلمات الخلية المختلفة، مثل التحلل الكيميائي للغشاء، واعتماده على مستوى الماء، وخصائص مادة الخلية، بالإضافة إلى عوامل التصميم وظروف التشغيل، للتنبؤ باستقرار أداء الخلايا. وقد أتاح هذا النموذج للباحثين اكتشاف أهمية كثافة تيار التشغيل وخصائص الغشاء على أداء خلية الوقود وعمرها. وتنبأ النموذج أيضًا بتحسن كبير في استقرار خلايا الوقود هذه، حيث تم تحقيق عمر نظري يزيد عن 5,000 ساعة، بناءً على استخدام أغشية أرق ومواد ذات حركية تحلل منخفضة. إن تطبيق هذه الشروط أثناء تطوير هذا النوع من خلايا الوقود قد يلبي متطلبات طول عمر خلية الوقود، بحيث يمكن استخدامها، من بين أشياء أخرى، لتشغيل السيارات.
الحياة نفسها:
البروفيسور ديكل يحب لعب الشطرنج. السفر والتعرف على أشخاص من ثقافات مختلفة.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
