خلايا وقود الهيدروجين هي أجهزة تقوم بتحويل الهيدروجين إلى طاقة كهربائية من خلال عملية تسمى التفاعل الكهروكيميائي. وهي توفر طريقة نظيفة وفعالة لتوليد الطاقة، وتستخدم هذه الخلايا اليوم في جميع سيارات الهيدروجين المتوافرة في بعض الأسواق، وأبرزهم تويوتا ميراي و هوندا كلاريتي فيول سيل وهونداي نيكسو.

كيف تعمل خلية وقود الهيدروجين؟

تتألف الخلية من قطب سالب وقطب موجب وغشاء فاصل بينهما يمنع مرور الإلكترونات، يتم توفير الأكسجين للقطب الموجب من الهواء المحيط غالباً، ويأتي غاز الهيدروجين للقطب السالب من خزان الوقود في السيارات.

تنقسم جزيئات الهيدروجين عند القطب السالب إلى أيونات الهيدروجين (بروتونات) وإلكترونات حرة، هذا الانقسام يتم بسبب المواد المحفزة التي تُغطي القطب السالب وغالباً تكون من البلاتينيوم، تنتقل أيونات الهيدروجين إلى القطب السالب عبر الوسط الفاصل بين القطبين الذي يمنع مرور الإلكترونات مما يجعلها تتدفق عبر الدارة الخارجية و تؤدي لنشوء تيار كهربائي.

عند القطب الموجب تتحد أيونات الهيدروجين مع الأكسجين و الإلكترونات القادمة من الدارة الخارجية لتكوين بخار الماء، ويخرج الأكسجين الفائض و يُعاد استخدام الهيدروجين الفائض.

وهكذا تنتج الخلية الكهرباء كمنتج رئيسي ومنتجات ثانوية هي بخار الماء و الحرارة التي تنتج عن التفاعلات، وبذلك فهي لا تنتج أي مخلفات ملوثة للبيئة مثل محركات الاحتراق. كما أنها تتمتع بكفاءة أعلى مقارنة بمحركات الاحتراق، إذ أن نسبة هدر الطاقة أقل أثناء عملية التحول من شكل ﻻخر (كيميائي إلى كهربائي).

كل خلية تنتج مقدار قليل من الطاقة (غالبا 0.7 فولط) لذا يتم ربط خلايا متعددة على التوالي لتشكيل مجموعة تعمل معاً لإنتاج طاقة كافية لتشغيل المحركات أو الأدوات الكهربائية.

أنواع خلايا وقود الهيدروجين

يوجد أنواع متعددة لخلايا وقود الهيدروجين، تختلف بشكل أساسي بالوسط الفاصل بين القطبين:

خلايا وقود البوليمر (PEM): يكون الغشاء الفاصل بين قطبي الخلايا من البوليمر، تُستخدم بشكل شائع بسبب كفاءتها وقدرتها على العمل في درجات حرارة عادية، كما أنها خفيفة وصغيرة الحجم، لكنها تستوجب استخدام البلاتينيوم الغالي الثمن كمحفز عند القطب السالب .

خلايا الوقود القلوية (AFC): يكون الوسط الفاصل بين القطبين مصنوع من هيدروكسيد البوتاسيوم، تُستخدم في تطبيقات الفضاء ولها عمر أطول ولكن تصنيعها أكثر تكلفة وأقل كفاءة من البوليمر.

خلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC): يكون الوسط الفاصل خليط من ملح الكربونات المنصهرة، تُستخدم لتوليد الطاقة في المحطات الثابتة ولكنها تحتاج درجات حرارة عالية لتعمل (أكثر من 600 درجة).

خلايا الوقود ذات الأكسيد الصلب (SOFC): يكون الوسط الفاصل من السيراميك الصلب، توفر كفاءة عالية ولكنها تتطلب درجات حرارة تشغيل أعلى (800 درجة).

الأكثر استخداماً

تعتبر خلايا الوقود البوليمرية (PEM) أكثر خلايا الوقود الهيدروجينية استخداماً، وتستخدمها اليوم كل السيارات الهيدروجينية والباصات والشاحنات الثقيلة التي تعمل بالهيدروجين.

وتتميز هذه الخلايا بكفاءتها العالية بتحويل الطاقة الكيميائية في الهيدروجين إلى طاقة كهربائية، وهي أخف وزناً من الأنواع الأخرى كما أن حجمها أصغر، أي أنها يمكن أن تولد طاقة أكبر من غيرها باستخدام نفس الوزن والحجم.

وتستمر الأبحاث لتحسين عملها وزيادة فعاليتها واستبدال البلاتينيوم الغالي في المهبط (القطب السالب) بمواد أخرى أكثر فاعلية وأقل ثمناً وأكثر استدامة.