خلية الوقود ( Fuel cell )

خلية الوقود توجد بها نهايتان كهربائيتان تسميان القطبين الكهربائيين. وفي خلية الوقود المرسومة يضخ الهيدروجين خلال القطب السالب إلى محلول يسمى الإلكتروليتي ويتفاعل الهيدروجين مع الذرات المشحونة بالكهرباء، أي الأيونات، مكونًا الماء. ويؤدي هذا التفاعل إلى تحرر الإلكترونات من الهيدروجين. وتسير هذه الإلكترونات حول دائرة كهربائية إلى القطب الموجب، ويمد المحرك بالطاقة أثناء العملية ويتفاعل الأكسجين في القطب الموجب مع الماء داخل الإلكتروليت ويقوم بتجديد الأيونات.

خليـة الوقـودجهاز ينتج كهرباء من وقود ومؤكسد (مادة تتحد مع الوقود)، والوقود والمؤكسد يتفاعلان كيميائيًا عند قطبين كهربائيين منفصلين، (موصلين كهربائيين بطرفين) لينتجا التيار الكهربائي المستمر. وتنتج البطارية الكهرباء بطريقة مماثلة، إلا أن القطبين الكهربائيين في البطارية هما الوقود والمؤكسد ويستهلكان في التفاعل. أما في خلية الوقود فإن الوقود والمؤكسد يزوّدان من الخارج ويظل القطبان غير متغيريْن إلى حد كبير.

واليوم تُستخدم خلايا الوقود للحصول على كهرباء في استخدامات خاصة. فهي على سبيل المثال، تزوِّد مكوكات الفضاء الأمريكية بالكهرباء. وتنتج حوالي 1,5 كيلووات من القدرة.

ويأمل العلماء والمهندسون في خفض تكلفة خلايا الوقود وزيادة الاعتماد عليها. ويحاولون الآن إنتاج خلايا تستطيع أن تعمل بوقود منخفض التكاليف، مثل وقود الديزل والبترول والغاز الطبيعي. والأكسجين الموجود في الهواء هو المؤكسد في هذه الخلايا. والاستخدامات المستقبلية لخلايا الوقود قد تشمل تزويد المساكن ووسائل النقل العسكرية والسيارات الكهربائية المدنية، بالكهرباء والحرارة.

والميزة الرئيسية لخلايا الوقود التي تنفرد بها عن غيرها من وسائل توليد الكهرباء هي كفاءتها العالية. وأغلب القوة الكهربائية اليوم تولَّد بطريق الآلات التي تستخدم الحرارة. وكفاءة هذه الآلات محدودة. وتستطيع خلايا الوقود نظريًا أن تحول الطاقة الكيميائية إلى كهرباء دون تغيّر في درجة الحرارة. ومع ذلك تُنتج خلايا الوقود اليوم بعض الحرارة الضائعة.

وفي خلايا الوقود، يؤكْسَد الوقود عند قطب الوقود ويخرج إلكترونات في مستوى طاقة مرتفع نسبيًا. ★ تَصَفح: الأكسدة. وتمثل هذه الإلكترونات التيار الكهربائي الذي تنتجه الخلية. تسري هذه الإلكترونات خلال دائرة خارجية، ثم تعود مرة أخرى إلى القطب المؤكسد على مستوى طاقة منخفض. وهناك يحدث تفاعل مع المؤكسد وتتكون أيونات (وهي ذرات مُحمّلة بالكهرباء، أو مجموعات من الذرات). تسري هذه الأيونات خلال الإلكتروليت (محلول يحمل تيارًا) بين القطبين الكهربائيين وتكمل الدائرة. وثمة ثلاثة أنواع من خلايا الوقود: خلية الوقود ذات الحرارة المنخفضة، وتستخدم إلكتروليتات مائية، وخلية الوقود ذات درجة الحرارة المتوسطة، وتستخدم الأملاح الذائبة، وخلية الوقود ذات درجة الحرارة العالية، وهي الأكثر كفاءة، وتستخدم إلكتروليتات خزفية صلبة. وهذا النوع من خلايا الوقود يستطيع العمل في درجة حرارة 1,000°م.