خلايا الوقود Fuel Cell

صلاح

عضو نشط
إنضم
27 أغسطس 2003
المشاركات
350
مجموع الإعجابات
41
النقاط
28
*خلايا الوقود Fuel Cell*:

خلايا الوقود هي نمط من الانماط المختلفة لتوليد الكهرباء عبر التفاعلات الكيماوية ، ويقصد بها خلايا وقود الهيدروجين التي تنتج الكهرباء بتفاعل كيميائي بين الهيدروجين والأوكسجين. فكرتها هي عكس فكرة تحليل الماء في خلايا التحليل الكهربائية للماء إلى مكوناته - الهيدروجين والأكسجين ، فعند تحليل الماء بالكهرباء في خلايا التحليل يتم تزويد الخلية بتيار كهربائي فينفصل الهيدروجين عن الأكسجين عند قطبي الكهرباء، وأما خلية الوقود فالعملية فيها عكسية ، حيث يتم تزويدها بالهيدروجين والأكسجين فيتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين وينتج تيار كهربائي إلى جانب الماء كما سنرى لاحقا ، وللتذكير فان هناك العديد من التقنيات المعاكسة التي يتم استخدامها الحصول على منتج جديد ، فقد مر علينا آنفا أن عملية التناضح العكسي التي يتم فيها الحصول على ماء مقطر نقي من المياه المالحة أو ماء البحر هي عملية عكسية لعملية التنافذ الطبيعية Osmotic Energy التي يتم عبرها انتاج الكهرباء كمنتج لفرق ملوحة المياه حيث يشكل الماء الأقل ملوحة قوة ضغط باتجاه الماء الأكثر ملوحة ويستغل ذلك لانتاج طاقة كهربائية وقد سبق وان مرينا على هذا النمط آنفا ، بينما تستخدم معكوس هذه العملية لانتاج مياه مقطرة في وحدات التناضح العكسي ( منها الفلترات المنزلية لانتاج الماء المقطر) , حيث تزود وحدات التقطير بالتناضح العكسي بالكهرباء لتشغيل مضخة مهمتها دفع المياه الأكثر ملوحة بطريقة عكسية باتجاه المياه الأقل ملوحة عبر اغشية ( ممبران ) والتي تعلق بها الاملاح فنتحصل على مياه مقطرة نقية .
لخلايا الوقود العديد من المميزات. فهي تعد مصدرًا لانتاج الطاقة الكهربائية أكثر كفاءةً مقارنةً بحرق أنواع الوقود الأحفوري لإنتاج الطاقة. وتصل فاعلية العديد منها حاليًا إلى 60% ومع وجود بعض التعديلات التقنية قد تصل إلى أكثر من ذلك .
 

مواضيع مماثلة

صلاح

عضو نشط
إنضم
27 أغسطس 2003
المشاركات
350
مجموع الإعجابات
41
النقاط
28
تستخدم معظم خلايا الوقود الهيدروجين كوقود . ولذلك، فهي تصدر القليل من الانبعاثات الملوثة أو لا تصدرها على الإطلاق، وفقًا لنوع خلية الوقود.
يعد الماء، والحرارة في بعض أنواع الخلايا، هما الناتجين الأساسيين المرافقين لعمليات انتاج الكهرباء في خلية الوقود، وإذا تمكنت الخلية من استخدام وقود غير نقي، فسيصدر بعضا من ثاني أكسيد الكربون (CO2)، لكن كمية هذه الانبعاثات تكون أقل بكثير من تلك الصادرة من حرق الفحم أو البنزين.
لكن هذا لا يعني الاستغناء تمامًا عن أشكال الوقود الأحفوري. فيجب أن يأتي الهيدروجين اللازم لتشغيل خلايا الوقود من مكانٍ ما. والهيدروجين لا يتواجد بشكل مستقل في الطبيعة. ويعد الوقود الأحفوري أحد مصادر الهيدروجين المتاحة بشكل دائم. وهذا يعني أنه سيتم إصدار بعض الانبعاثات في عملية إنتاج الهيدروجين. لذلك، فليست جميع خلايا الوقود مصادر نظيفة للطاقة تمامًا، ليس بعد.
تقوم خلايا الوقود حاليًا بتوفير الكهرباء والمياه للمركبات الفضائية المأهولة برواد الفضاء .
 

صلاح

عضو نشط
إنضم
27 أغسطس 2003
المشاركات
350
مجموع الإعجابات
41
النقاط
28
تركيب خلية الوقود ومبدأ عملها :

تتركب خلية الوقود من قطبين هما القطب الموجب (أنود), والقطب السالب (كاثود) مغمورين في محلول أيوني وهو عبارة عن مركب كيميائي يختلف بحسب نوعية الخلية, ويستخدم الهيدروجين كوقود ويمكن إستخدام أنواع أخرى من الوقود تحتوي على الهيدروجين.
وتبدأ عملية التشغيل عند إمداد قطب (الأنود) بالهيدروجين وقطب (الكاثود) بالأكسجين, فيتأكسد الهيدروجين وتنحل جزئياته إلى برتونات وإلكترونات عبر المحلول الأيوني, وتنتقل الإلكترونات إلى دائرة خارجية مولدة تيار كهربائي.

IMG_20211126_193022_581.jpg
 

صلاح

عضو نشط
إنضم
27 أغسطس 2003
المشاركات
350
مجموع الإعجابات
41
النقاط
28
انماط توليد الطاقة الكهربائية:
أنواع خلايا الوقود:
هنالك عدة أنواع من خلايا الوقود، ويمكن تصنيفها حسب المحلول الأيوني ودرجة الحرارة كالأتي:-

1- خلايا الوقود القاعدية :-
يستخدم هذا النوع من الخلايا محلول أيوني مركب من هيدروكسيد البوتاسيوم المخفف، وتعمل الخلية عند درجة حرارة (250-50) درجة مئوية , وللحصول على كفاءة عالية يتطلب أن تكون الغازات (هيدروجين وأكسجين) ذات نقاوة عالية وخالية من غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يسبب تكون كربونات البوتاسيوم التي بدورها تقلل من قدرة الخلية وتتسبب في تلفها. وقد استخدم هذا النوع لفترة طويلة لمهمات الفضاء (ناسا) ، وتصل الكفاءة الكهربية لهده الخلايا إلى 70%.

2- خلايا وقود ذات مركب أيونى مبلمر: في هذا النوع من الخلايا يستخدم محلول أيونى جاف وهو عبارة عن مركب أيونى مبلمر على هيئة حشوه بين قطبين مسامين ويحمل كل منهما مادة حافزة (بلاتين)، ويعتبر هذا الغشاء عازل الكتروني، وتعمل هذه الخلايا في درجة حرارة حوالي 80 درجة مئوية وتصل كفاءة الخلية إلي حوالي 40-50%.

3- خلايا الوقود الحمضية : يستخدم حامض الفوسفوريك كمحلول أيونى لأنه أكثر ثباتاً من حامض الكبريتيك، ويولد هذا النوع من الخلايا طاقة كهربائية تصل إلى 40%، وحوالي85% من البخار المتولد مزدوج الاستخدام( حرارة،كهربا) وتصل كفاءة الخلية إلى حوالي 40-80% ويسمح بتشغيل الخلية عند درجة حرارة 200 درجة مئوية.

4- خلايا الوقود ذات المركب الأيوني من الكربون المصهور: تتركب الخلية من قطبين من النيكل المسامي بينهما طبقة رقيقة من كربونات البوتاسيوم, ويستعمل الكربون المصهور كمحلول ايوني للخلية، ويتطلب هذا رفع درجة حرارة الخلية إلى 650 درجة مئوية، ويعتبر هذا النوع من الخلايا مناسبا للاستخدام في محطات لتوليد الطاقة الكهربائية ، محطات مركزية ،أو فرعية أو للاستخدامات النائية، وتصل كفاءة الخلية إلى 50-60%.

5- خلايا الوقود ذات الأكاسيد الصلبة :- يستعمل أكسيد الزروكونيوم كمحلول أيونى (أكسيد الزروكونيوم الصلب المعالج بأكسيد الأتيريوم) ويمكن تهذيب وقود الهيدروكربون داخليا واستخدام النفايات الناتجة في توليد البخار وذلك لاستخدامه في محطات توليد الطاقة الكهربائية، وتصل كفاءة الخلية إلي 40-60%، وتعمل الخلية في درجات حرارة عالية تصل إلى 1000 درجة مئوية.

IMG_20211126_193159_134.jpg

6- خلايا الميثانول المباشر:
تتشابه خلايا وقود الميثانول المباشر مع الخلايا ذات المركب الأيوني المبلمر من حيث المحلول الأيوني, ولكن في خلايا وقود الميثانول يقوم محفز الأنود بسحب الهيدروجين من الميثانول دون الحاجة إلى إعادة تكوين الوقود (الهيدروجين) وتقدر نسبة كفاءة الخلية حوالي 40%, وتشتغل عند درجة حرارة ما بين (49-88 درجة مئوية).
7- خلايا الوقود ذات التوليد المتجدد:
تعتبر خلايا الوقود ذات التوليد المتجدد جديدة وفريدة من نوعها حيث تؤدي وظيفتها في التحليل الكهربائي للماء وتولد الطاقة الكهربائية من الوقود المؤكسد اى تعمل بطريقه عكسية(محلل كهربائي للماء +خلية وقود), وتتكون الخلية من غشاء أحادى البروتون ومحلل يعمل بالطاقة الشمسية ( كمصدر كهرباء للمحلل الكهربائي للماء)، وفي هذا النظام يتم فصل الماء إلي عنصرية بالمحلل الشمسي الكهربائي وتزويد الخلية بهما لتوليد الكهرباء, حيث يتم ترجيعها إلى المحلل الكهربائي ويتم فصله من جديد إلى عنصريه والناتج من العملية كهرباء وماء, فالماء ينتقل في دائرة داخلية إلى المحلل الكهربائي لفصله من جديد إلى عنصرية وهكذا يستمر عمل الخلية.
 

صلاح

عضو نشط
إنضم
27 أغسطس 2003
المشاركات
350
مجموع الإعجابات
41
النقاط
28
للتنويه ومنعا للبس فان خلايا الوقود Full Cell والتي تعرف كذلك بخلايا الوقود الهيدروجينية Hydrogen Full Cell , والتي نتكلم حولها الأن كنمط من انماط توليد الطاقة الكهربائية ، ليست هي خلايا انتاج الهيدروجين Hydrogen Generator والتي تعرف مجازا بخلايا الهيدروجين Hydrogen Cell ، أو خلايا HHO المستخدمة في السيارات لتوفير البنزين بمساعدة الهيدروجين ، والتي لاتهمنا هنا ولن نتكلم عنها لانها لاتنتج الطاقة الكهربائية ، بل تنتج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للماء الى مكوناته الأصلية وهي الهيدروجين والاكسجين , لذا فهي تعرف كذلك بخلية تحليل الماء كهربائيا water electrolyiser cell ، وقد اشرناٱنفا الى ان في خلايا الوقود ( التي تنتج كهرباء) تحدث عملية عكسية للعملية التي تحدث في خلية انتاج الهيدروجين أو المحلل الكهربائي للماء ( التي تنتج الهيدروجين) ، لذا نرجوا الانتباه فقد يختلط الأمر لدى البعض.
 

صلاح

عضو نشط
إنضم
27 أغسطس 2003
المشاركات
350
مجموع الإعجابات
41
النقاط
28
استخدامات ومميزات خلايا الوقود :

# تستخدم خلايا الوقود في :
.1 توليد الطاقة الكهربائية. يمكن استخدامها في محطات مركزية أو محطات فرعية نظراً لارتفاع كفاءتها الكهربائية ويمكن استخدامها الى جانب محطات القوى الحرارية .
.2 إقامة وحدات توليد كهرباء مزدوجة. تستخدم عادة وحدات توليد مزدوجة للأغراض الصناعية والتجارية والمنزلية في المناطق النائية, بحيث توفر الكهرباء والحرارة معاً. لذا يستفاد من الكهرباء علاوة على الحرارة بحيث يمكن استخدامها في التدفئة وتسخين المياه وقد تصل الكفاءة الكلية لهذا النظام إلى 80%.
.3 المواصلات. يمكن استخدام خلايا الوقود في المركبات والمواصلات ويعتقد بان خلايا الوقود ذات المركب الأيوني المبلمر مرشحة لهذا الاستخدام.

# مميزاتها :
1- كفاءتها الكهربائية عالية وغير محدود بدورة كارنو للحرارة.
2- لا تنبعث منها آي ملوثات ضارة بالبيئية وتكون نسبة الغازات عند الاحتراق ضئيلة مقارنة بعملية الاحتراق التقليدية.
3- قليلة الضوضاء عند تشغيلها (عديمة الاهتزاز, هادئة).
4- لا تحتاج إلى صيانة كثيرا، وتعيش لفترة طويلة.
5- بساطة جهاز العادم.
6- مصممة لتعطى مرونة عالية.
7- ذات طاقة إمداد قوية وخاصة في التكييف والتسخين.
8- بساطة ميكانيكية التشغيل في الخلية، ( الأجزاء ثابتة غير متحركة و بساطة صندوق تروس السرعة).
9- قدرتها في الأداء جيدة (ضبط التيار الكهربائي .
10-فريدة في نوعها تحافظ على الطاقة وبخاصة عند استخدامها في المحطات النائية.
 

صلاح

عضو نشط
إنضم
27 أغسطس 2003
المشاركات
350
مجموع الإعجابات
41
النقاط
28
IMG_20211127_195747_230.jpg

IMG_20211127_195737_958.jpg
 

المرفقات

  • IMG_20211127_195729_403.jpg
    IMG_20211127_195729_403.jpg
    33.2 KB · المشاهدات: 0
أعلى