خلايا الوقود (Fuel Cells ) تكنولوجيا مبهرة فى عالم السيارات

بسم الله الرحمن الرحيم


مقدمة:-

السيارات لا يمكننا ان ننكر انها واحدة من اهم الاختراعات فى تاريخ البشرية حيث انها و طبقا لاحدث الاحصائيات اكثر طرق النقل انتشارا فى العالم كله.

وكما نعرف السيارة لم تخترع مرة واحدة او على يعد عالم معين بل مرت بمراحل تطور طولية على مدى قرنين من الزمان لتصل الى الشكل الحالى الذى نستخدمه حالياو ومازلت حتى الان فى تطور مستمر و ابدى لتحسينها و تطويرها.

وتهدف الابحاث العلمية الحديثة التى تسعى لتطوير السيارات نحو هدف واحد ليس زيادة قدرة السيارة او تحسين شكلها فقط هذا ليس فى المقام الاول بينما الاهتمام الاساسى حاليا هو تقليل التلوث و الانبعاثات الضارة الخارجة من المحرك.

واليوم سوف اتكلم عن تقنية جديدة جدا و فى رأيى الشخصى سوف تحدث انقلابا فى عالم السيارات اذا لم تكون قد بدأت هذا الانقلاب بالفعل, وسيلة نظيفة و موفرة للطاقة انها خلايا الوقود.


تاريخ تطور خلايا الوقود:-

يمكن ان نقول انه تم اختراع تقنية خلية الوقود على يد ولشمان سير ويليام جروفWelshman Sir WilliamGrove فى عام 1839 حيث ان اختراعه لبطارية الغاز الفولتية gas voltaic battery هو الذى اعطى العلماء بعد ذلك مبادئ تفنية خلية الوقود .

كانت فكرة عمل بطارية جروف البسيطة هى اساس ظهور تقنية خلايا الوقود ولكن لم يظهر هذا الاسم فعليا الا فى سنة 1889 على يد تشارلز لنجر Charles Langer و لودفيج موندز Ludwig Mond'sحيث انهم اول من حاولوا صناعة اول خلية وقود فعلية.

وفى عام 1960 استخدمت ناسا NASA – national aeronautics and space administration تقنية خلايا الوقود عمليا فى توليد الكهرباء و تشغيل سيارة فضائية صغيرة spacecraft وبعد ذلك ظل التطور فى خلايا الوقود مستمر فى فترة السبعينيات حتى بداية الثمانينيات عندما بدأ يدخل فى صناعة السيارات – وهذا ما يهمنا فى الموضوع - وظلت خلايا الوقود فى مرحلة اختبار و تطوير حتى منتصف التسعينيات وصلت الى مرحلة يمكن معها استخدمها فى السيارات حيث ان حجمها و كفاءتها زادت بشكل جيد وفى السطور القليلة القادمة سوف اقوم بشرح طريقة عمل خلايا الوقود المتطور بالتفصيل ان شاء الله.

ما هى خلايا الوقود؟:-

هى ببساطة جهاز لتحويل الطاقة الكيميائية الى طاقة كهربية حيث ان خلية الوقود تعمل على تحويل الهيدروجين و الاكسجين الى ماء ومن خلال هذا التفاعل ينتج تيار كهربى يستفاد به.



ويمكننا مجازا ان نقول ان خلايا الوقود تتشابة مع البطارية حيث انها تقوم بتوليد طاقة كهربية من تفاعلات كيميائية ولكن الاختلاف هنا ان البطارية لها عمر افتراضى بينما خلية الوقود لا نهائية حيث انه طالما يدخل اليها هيدروجين و اكسجين يخرج تيار كهربى.
وخلايا الوقود تنافس بشدة العديد من مصادر توليد الكهرباء الاخرى مثل التربينات الغازية gas turbine و محطات توليد القوى الضخمة city's power plant حتى انها تنافس البطارية الصغير التى قد نستخدمها فى تشغيل الكومبيوتر المحمول LapTop .

ويعتبر السبب الاساسى فى تفوق خلايا الوقود عن باقى مصادر توليد الكهرباء السابق ذكرها هو زيادة الكفاءة الشديدة حيث ان معظم هذة المصادر تستخدم حرق الوقود للحصول على طاقة مما يزيد من التلوث كما ان الطاقة الناتجة ليست بالقوة التى قد تنتجها خلية الوقود.

انواع خلايا الوقود:-

Proton Exchange Membrane (PEM)
وهى تعتبر من افضل انواع خلايا الوقود و اصغرها فى الحجم بالنسبة للطاقة الناتجة منها .

وفى هذا النوع يستخدم غشاء من مادة البوليمر فى الحالة الصلبة وهذا يقلل من درجة حرارة التفاعل و يزيد من الكفاءة واسرع فى البدء و الاستجابة.

وهذا النوع من خلايا الوقود هو الاكثر انتشارا فى العالم كما انه هو المستخدم فى مجالات السيارات لصغر حجمه .

Alkaline :-
الالكالاين يستخدم فى هذا النوع من خلايا الوقود ولكن المشكلة الاساسية لهذا النوع على الرغم من قوة التيار الناتج هى انه يحتاج الى هيدروجين نقى تماما و اكسجين نقى تماما حتى يبدأ التفاعل وهذا النوع يعتبر من اقدم الانواع حيث اخترع فى عام 1960

Phosphoric Acid :-
وهذا النوع لا يستخدم فى مجالات الصناعة بسبب كبر حجمة و زيادة درجة حرارة التفاعل بشدة و تأكل الالكتروليد احيانا بسبب الحرارة.

Molten Carbonate:-
هذا النوع من اكثر خلايا الوقود تعقيدا حيث انه يتطلب درجة حرارة عالية لبدء التفاعل علاوة على حجمه الكبير و يستخدم في محطات توليد الطاقة

Solid Oxide :-
وهو ايضا يحتاج إلى حرارة عالية لبدء التفاعل ولكن يميزه قله كمية الأكسجين و الهيدروجين المستخدمة في توليد نفس الكمية من الطاقة بالمقارنة بالأنواع الأخرى.

ومن هذا نرى ان النوع الاول هو الذى يهمنا فى هذا التقرير وهذا حيث انه النوع المستخدم فى السيارات و سوف اقوم فى السطور التالية بالتكلم عنة ان شاء الله بالتفصيل وسوف اشرح طريقة عمله ومميزاته لانه ما يهمنا فى هذا الموضوع .



Proton Exchange Membrane (PEM)



يتكون كما بالشكل,,



· القطب الموجب Anode
· القطب السالب Cathode
· الالكتروليد Proton Exchange Membrance
· المحفز catalyst

وبكل بساطة تعتمد فكرة عمله على انتقال ذرات الهيدروجين من الانود القطب الموجب الى ذرات الاكسجين الموجودة بالكاثود القطب السالب ومع مرورها وتفاعلها يتولد تيار كهربى و يكون ناتج التفاعل هو الماء , و المعادلات التالية توضح العمل:-



Anode side:
2H2 => 4H+ + 4e-

Cathode side:
O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O

Net reaction:
2H2 + O2 => 2H2O



طريقة العمل بالتفصيل:-



ناحية الكاثود:-

يتم دفع الاكسجين الى الكاثود و يمر خلال المحفز catalyst الذى يقوم بشطر ذرة الاكسجين الى ايونين سالبين O-


ناحية الانود:-

كما نرى بالشكل يتم ضغط و دفع ذرات الهيدروجين الى خلية الوقود من ناحية الانود –القطب الموجب- وعند دخول الهيدروجين المضغوط الى الانود يمر اولا عبر المحفز catalyst وهذا المحفز يقوم بشطر ذرة الهيدروجين H2 الى ايونين من الهيدروجين الموجب H+ , H+ و ينتج من هذا الانشطار الكترونين e- .

هذه الالكترونات هي المسببة لتوليد الطاقة الكهربية وبعد ذلك تكمل الدائرة طريقها حيث تندفع ايونات الهيدروجين الموجبة ناحية الشحنة السالبة من ايونات الأكسجين لتتحد معا و تكون الماء كما بالمعادلات السابقة.

وتخرج الخلية الواحدة من خلايا الوقود تقريبا 0.7 فولت ويتم توصيل اكثر من خلية على التوالى للحصول على قيمة الفولت المطلوب.

وتعبر المشكلة الاساسية فى هذا النوع و التى عاقت دون دخوله فى مجال السيارات لفترة طويلة هى انه لتوليد الطاقة منه نحتاج الى اكسجين و هيدروجين بالنسبة للاكسجين فمن السهل الحصول عليه من الهواء الجوى و متوافر و لكن المشكلة الحقيقية كانت فى الهيدروجين حيث انه لا يتواجد الا فى طبقات الهواء العليا و استخلاصه كان نوعا ما صعبا ولذلك ظل العلماء يبحثون عن وسيلة اخرى لتوليد الطاقة غير الهيدروجين

ولكن فى النهاية توصلوا الى طريقة فعاله و عملية جدا وهى تعتمد على تحويل الهيدروكربونات او الكحول ( الوقود الكحولى ) الى هيدروجين يمكن استخدامه فى خلايا الوقود و هذا عن طريق جهاز يسمى جهاز اعادة التأليف عن طريق الوسيط الكميائى او reformer.

ولكن كما يقل لا يوجد شئ كامل حيث ان هذه الطريقة يخرج منها درجة حرارة عالية و الهيدروجين الخارج غير نقى مما يقلل من كفاءة خلية الوقود
ومن الابحاث الحديثة التى يجريها العلماء حاليا وجد انه قد يمكن الاستغاضه عن الهيدروجين بالغاز الطبيعى - البر وبان و الميثان- propane and methanol حيث يسهل الحصول على الغاز الطبيعى بسهوله .

ويتعبر الميثان اكثر الغازات ترشيحا ليكون المستخدم فى السيارات الحديثة لسهولة الحصول عليه و سهوله شطره .


هل خلايا الوقود افضل فعلا ؟

ربما السؤال الذى قد يأتى على مخيلتك الان هل خلايا الوقود افضل للاستخدام فى السيارات ام لا ؟ هل تعطينا كفاءة اعلى تحعلها ندا للتقنيات المستخدمة حاليا. وهذا ما سوف نقوم بمناقشتة فى السطور القادمة ان شاء الله.

لكى نعرف هل خلايا الوقود افضل بالفعل سوف نقوم اولا بدراسة كفاءة السيارة عند استخدام خلايا الوقود و كفاءة السيارة عند استخدام المحرك الحرارى التقليدى و ايضا كفاءة السيارة عند استخدام المحرك الكهربى وبعدها يمكن ان نحدد ايهم افضل.

اولا:-خلايا الوقود و السيارات:-

حسب الاختبارات الحديثة للسيارات التى تستخدم خلايا الوقود وجد انه اذا قمنا بأستعمال هيدروجين نقى تماما فأنه يمكن ان نحصل على طاقة بكفاءة تصل الى 80 % تقريبا , ولكن كما اوضحنا من قبل انه لا يمكن الحصول على الهيدروجين النقى بسهولة خاصة فى السيارات و لذلك يستخدم بدل منه الوقود الكحولى او الهيدروكربونات ولكنها تخرج هيدروجين غير نقى تماما مما يسبب نقص فى الكفاءة لتصل من 40 الى 30 %
تقريبا.

هذا بالنسبة للطاقة الكهربية الخارجة فى السيارات مازلنا نحتاج الى تحويل هذة الطاقة الكهربية الى طاقة حركية عن طريق موتور و الاختبارات الاخير اسفرت عن انه تقريبا تصل الكفاءة الكلية النهائية الخارجة لى على هيئة طاقة حركية من الموتور تصل الى من 32 % الى 24 % تقريبا .

ثانيا:-المحركات الحرارية و السيارات:-

المحركات الحرارية هى المحركات التى تستخدم الوقود الحفرى – الديزيل او البنزين – فى توليد طاقة حرارية عن طريق حرق هذا الوقود و تحول هذة الطاقة الحرارية الى طاقة حركية . وهذا هو المحرك التقليدى المستخدم فى السيارات كلها.

حسب الاختبارات التى تم اجرائها على هذا النوع من المحركات لمعرفة الكفاءة الفعلية المستفادة من هذا المحرك و لا تتفاجأ من الامر ولكنه وجد عمليا ان الكفاءة الكلية لهذا النوع من المحركات منخفضة جدا جدا تصل الى 20 % فقط !!!!!!!!!

ولا تندهش من الرقم و لكنه فعليا حيث ان الحرارة المتولدة من حرق الوقود تفقد على هيئة حرارة مع غازات العادم الخارج او تفقد من خلال دورة التبريد فى السيارة و لاداعى لذكر المفاقيد الاخرى الموجودة فى صندوق التروس و الكرونة اذا وجدت و الخ

ثالثا:-المحركات الكهربية و السيارات:-

المحركات الكهربية موجود فى السيارات منذ مدة طويلة و هى تعتمد على فكرة وجود محرك كهربى تقليدى يعمل بالبطاريات

و اثبتت الاختبارات على هذا النوع من المحركات و قد تندهش للمرة الثانية انه عالى الكفاءة جدا قد تصل الكفاءه الكلية 72 % تقريبا
وهذا يعنى انه افضل الانواع استخداما ولكن العيب القاتل فى هذا النوع هو احتياجة الدائم الى الشحن للبطاريات ولذلك يتخدم فى الاماكن المغلقة مثل ملاعب الجولف و الشركات الضخمة و الجامعات ( فى الدول المتقدمة بالطبع J) .

ومما سبق يمكننا الحكم اى الانظمة الافضل و الاعلى كفاءه فى الاستخدام فى السيارات و لكن يجب ملاحظة المعايير الفنية التى تبين ان كان هذا النوع من السيارات افضل ام لا

وهذة المعايير هى:-

1- هل السيارة سهلة الاستخدام و قابلة للصيانة.
2- هل السيارة سهلة اعادة التذويد بالوقود او الطاقة
3- ما هى المسافة التى يمكن ان تقطعها قبل اعادة التذويد بالطاقة
4- كم هى سرعتها بالمقارنة بالسيارات الاخرى
5- ما مقدار التلوث البيئى الذى تسببه


طبعا يمكننا الان اجابه السؤال بأنفسنا وهو ان تقنية خلايا الوقود تفوقت و بجدارة عن التقنيات الموجوده حاليا.

خلايا الوقود و استخدمها فى السيارات:-

فى البداية بدأ استخدام خلايا الوقود فى المركبات الكبيرة وخاصة الاتوبيسات Buses وذلك لكبر حجم خلايا الوقود فى البداية ولكن مع التطور المستمر صغر حجم خلية الوقود جدا لدرجة جعلها تصلح فى الاستخدام فى السيارات الصغيرة



وبدأت بالفعل خلايا الوقود الهيدروجينية من النوع PEM السابق شرحه فى الدخول فى عالم السيارات ومن المفترض ان تحل محل السيارات ذات المحركات التقليدية فى المستقبل القريب جدا و المتوقع ان تبدأ فى الانتشار الواسع فى السيارات بعد سنة 2010 و السيارات الموجود حالية تستخدم الميثيلين كما قلنا من قبل كما ويوجد بعض الشركات قد طورت نوع خاص من الوقود يمكن يمكن استخلاص من الهيدروجين و مازالت الشركات حتى هذة اللحظة تحاول تطوير وسائل اخرى لاستخلاص الهيدروجين بطريقة افضل و انقى لكى تذيد من كفاءة خلية الوقود.



امثلة للسيارات التى تستخدم خلايا الوقود فى الوقت الحالى:-

انتشرت فى الفترة الاخيرة السيارات التى تستخدم خلايا الوقود و اظن ان معظمنا سمع عن السيارات التى تعمل بالهيدروجين والتى هى نفسها السيارات التى تعمل بخلايا الوقود

ولقد سمعت ان الممثل السابق و حاكم ولاية كاليفورنيا الحالى ارلوند شوازنيجر قد تم اهدائه سيارة هامر H2 و التى تعمل بتقنية خلايا الوقود كهدية و تقديرا من شركة هامر عن مجهوداته الجميل ( التى لا اعرفها صراحة ).

وهذا مجموعة من صور للسيارات المتوافرة فى الاسواق حاليا و التى تعمل بتقنية خلايا الوقود وبعض التفاصيل الفنية عنها







تم بحمد لله


تحياتى الى الجميع