وسط التحديات التي يتعرض لها العلماء للبحث عن وقود المستقبل سطعت في الافاق مجددا خلايا الوقود (fuel cells) كبديل عام وشامل بدلا من الوقود الاحفوري ومع استمرار الابحاث وتطويرها تظهر النتائج انه سيصبح وقود المستقبل الجديد .
خلايا الوقود هي جهاز لتحويل الطاقة الكيميائية الى طاقة كهربائية. حيث ان خلية الوقود تعمل على تحويل الهيدروجين والاوكسجين الى ماء ومن خلال هذا التفاعل ينتج تيار كهربائي يستفاد به. حيث انها تنتج فقط الماء والحرارة وتكون هادئة. ان عملية انتاج الطاقة يكون بكفاءة عالية بحوالي ثلاثة الى اربعة اضعاف عن عملية الاحتراق. خلايا الوقود تقلل انبعاث غاز ثاني اوكسيد الكاربون لحوالي ثلثين. مستقبل خلايا الوقود يتلخص بالتالي:
1- استبدال التوربينات الغازية (gas turbines) في محطات القدرة.
2- استبدال مكائن الديزل في المركبات.
3- استبدال البطاريات في الحاسبات والالكترونيات.
نظريات خلايا الوقود:
اكتشفها لأول مرة من حيث المبدأ العالم البريطاني السير ويليام روبرت في عام 1839. واستند الاكتشاف على فكرة التحليل الكهربائي العكسي. في عملية التحليل الكهربائي يتم تقديم تيار كهربائي الى المحلول الألكتروليتي. يؤدي تدفق التيار الكهربائي بين قطبين كهربائيين الى تحليل الماء حيث ان خلية الوقود تتكون من قطبين (الأنود والكاثود) يتم تغذية الخلية بوقود الهيدروجين والاوكسجين. العامل المساعد الموجود في الأنود يسبب فقدان ذرات الهيدروجين لالكتروناتها السالبة تاركة البروتونات ذات الشحنة الموجبة.
أيونات الأوكسجين الموجودة في قطب الكاثود تتحد مع أيونات الهيدروجين الموجبة. البروتونات تمر عبر غشاء المحلول الألكتروليتي. يتم اعادة توجيه الاكترونات الى الكاثود من خلال دائرة خارجية وبالتالي أنتاج تيار كهربائي.
الحقائق التاريخية:
-في عام 1894 ويليام اوستولد استعرض فكرة تحويل الطاقة الكيميائية في الوقود الطبيعي بالطريقة الكهروكيمياوية الى طاقة كهربائية على اساس ديناميك الحرارة (على افتراض اهمال الجوانب الحركية).
- في عام 1933 (Baur and Tolbar) أكتشف تجريبيا الصعوبات الكبيرة الملازمة للأكسدة الكهروكيمياوية المباشرة للوقود الطبيعي مثل الفحم.
- تم انشاء خلية عملية بأستخدام الهيدروجين كوقود في المختبر بواسطة Spiridonov في عام 1941.
- نشر Oganes Davtyan أول دراسة عن مشكلة خلايا الوقود في عام 1947.
- في عام 1960 تم تصميم بطارية وقود الهيدروجين والاوكسجين كبيرة نسبيا بواسطة فرانسيس في انكلترا لأنتاج طاقة كهربائية تبلغ حوالي 5 كيلوواط بأستخدام محلول الكتروليتي قلوي مركز. كانت درجة حرارة العمل من 473-513 كلفن وكان ضغط الغاز من 2 الى 4Mpa. الجدول المرفق في الصور يوضح انواع خلايا الوقود.
تطبيق خلايا الوقود للاستخدام الآلي
• برز تنوع غشاء التبادل البروتوني (PEM) كأفضل تصميم
• حصلت جنرال موتورز على ما يقرب من 400 براءة اختراع في تقنية PEM
• سيكون SOFC جنبًا إلى جنب مع معالج وقود البنزين على متن الطائرة مناسبًا مع
وحدات الطاقة المساعدة (APUs)
• استبدال المولد منخفضة الكفاءة في السيارات.