خلية الوقودl هو نوع من أجهزة تحويل الطاقة، والذي يمكنه تحويل الطاقة الكهروكيميائية للوقود إلى طاقة كهربائية. يطلق عليها خلية الوقود لأنها عبارة عن جهاز لتوليد الطاقة الكهروكيميائية مع البطارية. خلية الوقود التي تستخدم الهيدروجين كوقود هي خلية وقود هيدروجينية. يمكن فهم خلية وقود الهيدروجين على أنها تفاعل التحليل الكهربائي للماء إلى الهيدروجين والأكسجين. عملية التفاعل لخلية وقود الهيدروجين نظيفة وفعالة. لا تقتصر خلية الوقود الهيدروجيني على الكفاءة الحرارية البالغة 42% لدورة كارنو المستخدمة في محركات السيارات التقليدية، ويمكن أن تصل الكفاءة إلى أكثر من 60%.
على عكس الصواريخ، تولد خلايا الوقود الهيدروجيني طاقة حركية من خلال التفاعل العنيف لاحتراق الهيدروجين والأكسجين، وتطلق طاقة جيبس الحرة في الهيدروجين من خلال الأجهزة الحفزية. طاقة جيبس الحرة هي طاقة كهروكيميائية تتضمن الإنتروبيا ونظريات أخرى. مبدأ عمل خلية الوقود الهيدروجيني هو أن الهيدروجين يتحلل إلى أيونات هيدروجين (أي بروتونات) وإلكترونات من خلال المحفز (البلاتين) الموجود في القطب الموجب للخلية. تمر أيونات الهيدروجين عبر غشاء تبادل البروتونات إلى القطب السالب ويتفاعل الأكسجين ليتحول إلى ماء وحرارة، وتتدفق الإلكترونات المقابلة من القطب الموجب إلى القطب السالب عبر الدائرة الخارجية لتوليد الطاقة الكهربائية.
فيكومة خلايا الوقود، يتم إجراء تفاعل الهيدروجين والأكسجين، ويحدث نقل للشحنة في العملية، مما ينتج عنه تيار. وفي الوقت نفسه، يتفاعل الهيدروجين مع الأكسجين لإنتاج الماء.
باعتبارها مجمعًا للتفاعل الكيميائي، فإن جوهر التقنية الرئيسية لمكدس خلايا الوقود هو "غشاء تبادل البروتونات". يكون جانبا الفيلم قريبين من طبقة المحفز لتحليل الهيدروجين إلى أيونات مشحونة. ونظرًا لأن جزيء الهيدروجين صغير، فإن الإلكترونات الحاملة للهيدروجين يمكن أن تنجرف إلى الاتجاه المعاكس من خلال الثقوب الصغيرة الموجودة في الغشاء. ومع ذلك، في عملية مرور الهيدروجين الذي يحمل الإلكترونات عبر ثقوب الفيلم، يتم تجريد الإلكترونات من الجزيئات، ولم يتبق سوى بروتونات الهيدروجين الموجبة الشحنة للوصول إلى الطرف الآخر من خلال الفيلم.
بروتونات الهيدروجينتنجذب إلى القطب الموجود على الجانب الآخر من الفيلم وتتحد مع جزيئات الأكسجين. تقوم ألواح القطب الكهربائي الموجودة على جانبي الفيلم بتقسيم الهيدروجين إلى أيونات هيدروجين وإلكترونات موجبة، وتقسيم الأكسجين إلى ذرات أكسجين لالتقاط الإلكترونات وتحويلها إلى أيونات أكسجين (كهرباء سالبة). تشكل الإلكترونات تيارًا بين ألواح القطب، ويتحد أيونين هيدروجين وأيون أكسجين واحد لتكوين الماء، الذي يصبح "النفايات" الوحيدة في عملية التفاعل. في جوهرها، عملية التشغيل برمتها هي عملية توليد الطاقة. ومع تقدم تفاعل الأكسدة، تنتقل الإلكترونات بشكل مستمر لتكوين التيار اللازم لقيادة السيارة.
وقت النشر: 12 فبراير 2022