تحسين كفاءة خلايا وقود الهيدروجين بتقنية جديدة

وسلّط العلماء الضوء على مشكلات في التكلفة والموارد لبعض العناصر الأساسية التي تتكون منها خلية وقود الهيدروجين، بما في ذلك البلاتين، وهي المادة التي يشيع استعمالها بوصفها محفزًا ضروريًا لتنشيط العملية.

وطوّر فريق بقيادة البروفيسور تشوان تشاو عملية جديدة لاختبار متانة واستقرار بدائل البلاتين، والتي ستوفر رؤى جديدة في الخيارات المعقولة التكلفة لخلايا وقود الهيدروجين، بحسب الدراسة التي نُشرت في مجلة الطاقة وعلوم البيئة (Energy & Environmental Science).

طريقة عمل خلايا وقود الهيدروجين

شارك في إعداد الدراسة كل من تشوان تشاو، وكوينتين ماير، وشيانغ ليو، من كلية الكيمياء بجامعة نيو ساوث ويلز.

وقال تشاو: “سيكون البلاتين باهظ الثمن دائمًا؛ لأنه لا يوجد منه الكثير.. لذلك، نحن بحاجة إلى استكشاف البدائل، مع توفير طريقة سريعة وسهلة لقياس مدى جودة عمل هذه المواد الجديدة في خلايا وقود الهيدروجين”.

تستعمل خلايا وقود الهيدروجين، التي طُورت بوصفها مصدرًا للطاقة الخضراء في القرن الـ19، التفاعلات الكيميائية لتقسيم الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات، لإنتاج الكهرباء والماء.

وأوضح ماير: “في الأساس لديك جانبان؛ الأنود والكاثود. تضع الهيدروجين على جانب واحد (الأنود) والأكسجين على الجانب الآخر (الكاثود)، والمحفزات التي تجعل التفاعلين يحدثان”.

وأضاف: “أحد التفاعلات هو تقسيم الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات، ثم الجانب الآخر مؤكسد للأكسجين. تتفاعل البروتونات والإلكترونات مع الأكسجين عند الكاثود لتكوين الماء والكهرباء”.

يتمثل الاختلاف الرئيس بين تقنية خلايا وقود الهيدروجين والبطاريات في أنك لست بحاجة إلى شحن خلايا وقود الهيدروجين.

بدلًا من مضخة البنزين، لديك فقط مضخة هيدروجين، ويستغرق الأمر 3 دقائق فقط للتزود بالوقود في سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين.

لا تُعَد هذه العملية مصدرًا نظيفًا للطاقة فحسب، يُنتج الماء فقط بوصفه منتجًا ثانويًا؛ ولكنها أيضًا مستدامة.

ويوضح الإنفوغرافيك التالي -الذي أعدّته منصة الطاقة المتخصصة- دور الهيدروجين في مزيج الطاقة:

تكلفة خلايا وقود الهيدروجين

يُعَد الهيدروجين نفسه عنصرًا وفيرًا للغاية، وعلى الرغم من أنه لا يحدث بشكل طبيعي؛ فإنه يمكن استخراجه من الماء.

وقال تشاو: “لا يوجد لدينا ما يكفي من الهيدروجين قيد المعالجة، أو أماكن كافية لاستعمال الهيدروجين بمجرد استخراجه.. لذا، عندما نبدأ في إنتاج المزيد من الهيدروجين والمزيد من خلايا الوقود، سيصبح كلاهما أرخص”.

مشكلة رئيسة أخرى هي تكلفة المحفز؛ إذ يتكلف البلاتين الذي يشكل الطبقة الوسطى الأساسية لخلية الوقود ما بين 45 ألف دولار أسترالي (29.3 ألف دولار أميركي) و100 ألف دولار أسترالي (65 ألف دولار أميركي) للكيلو.

وقال ليو: “يتمثل أحد الأساليب في استعمال بدائل البلاتين، مثل الحديد، الذي يتكلف نحو 0.1 دولارًا أستراليًا (0.065 دولارًا أميركيًا) للكيلو الواحد”، ويضيف: “مادة واعدة خاصة هي الحديد والنيتروجين والكربون”.

(الدولار الأسترالي = 0.65 دولارًا أميركيًا)

ومع ذلك؛ فإن بدائل البلاتين الجديدة هذه ليست متاحة حاليًا على نطاق واسع؛ لأنها ليست مستقرة مثل البلاتين، وتتحلل بمعدل أسرع في خلايا وقود الهيدروجين.

بينما يمكن لخلايا الوقود القائمة على البلاتين أن تدوم حتى 40 ألف ساعة (نحو 4 سنوات ونصف السنة)؛ فإن مواد الحديد والنيتروجين والكربون يمكن أن تعمل فقط لمدة تصل إلى 300 ساعة (نحو أسبوعين)، في أفضل سيناريو”، بحسب ما قاله ماير.

كان التقدم في هذا المجال بطيئًا؛ إذ إن إيجاد البدائل واختبار متانتها عملية طويلة ومكلفة.

وفي هذا الصدد، قال ماير: “على سبيل المثال، قد يستغرق إنشاء محفز جديد لخلية وقود الهيدروجين ما يصل إلى عام، ثم يستغرق وقتًا أطول لفهم ما يحدث بالضبط باستعمال معدات باهظة الثمن يصعب الوصول إليها”.

تطوير طرق لتحليل الاستقرار

بالنسبة لـ”تشاو وماير” وفريقهما، كان الرد على معالجة المشكلات الحالية في هذا المجال هو تطوير طريقة تسمح لك بفهم سبب عدم استقرار بعض المواد المحفزة مثل البلاتين.

وأوضح تشاو أنه “باستعمال 3 طرق جديدة اختبرناها في المختبر، يمكننا أن نكتشف بسرعة مدى استقرار خلية الوقود الخالية من البلاتين لدينا، والأهم من ذلك أن نفهم السبب.. ويمكن بسهولة اعتماد هذا النهج من قِبل العلماء في المختبرات الأخرى لاكتساب رؤى سريعة ودقيقة حول كفاءة خلايا الوقود والعوامل المحفزة”.

باستعمال هذه التقنيات، كشف الفريق عن أن ما يصل إلى 75% من المواقع النشطة القائمة على الحديد (المواقع المحددة التي تحدث فيها التفاعلات) تصبح غير نشطة في الساعات الـ10 الأولى من تشغيل خلية الوقود، بسبب فقدان مواقع الحديد النشطة؛ ثم يلي ذلك تآكل الكربون الذي أصبح آلية التدهور السائدة.

وشدد ماير على أن هذا الأمر “مهم بشكل خاص؛ حيث يمكننا تحديد ما يحدث بالضبط ومتى يحدث.. إذا طوَّرنا مادة بها مواقع نشطة أكثر استقرارًا، يجب أن نرى تحللًا أبطأ في الساعات الـ10 الأولى، في حين أن تآكل الكربون قد يكون له الاتجاه نفسه”.

كما قال: “من خلال السماح بالتتبع الدقيق لآليات التدهور، نتوقع أن يكون مجال البحث قادرًا على صنع مواد جديدة تستهدف مشكلات الاستقرار هذه”؛ مضيفًا: “نتيجةً لذلك، نعتقد أن نهجنا سيساعد في تحسين استقرار المحفزات الخالية من البلاتين وإعطاء هذا المجال مستقبلًا أكثر إشراقًا”.

في حين أن هذه خطوة رئيسة في مجال خلايا وقود الهيدروجين؛ فإن العلماء في جامعة نيو ساوث ويلز يضعون أنظارهم على الهدف التالي.

فقد أعلن تشاو أنهم يطورون محفزًا يجمع معادن مختلفة لزيادة استقرار المحفزات؛ قائلًا: “باستعمال العملية التي طورناها هنا، يمكننا الحصول على رؤى سريعة وموثوقة حول استقرار هذه المحفزات الخالية من البلاتين ومنخفضة التكلفة. وهذا يمنحنا بعض النتائج المثيرة لفهم ما يحدث”.

ويركز الفريق أيضًا على الطرق التي يمكنهم بها زيادة قابلية التوسع في محفز خلية وقود الهيدروجين منخفض التكلفة والخالي من البلاتين، من المختبر إلى منتج يُمكن استعماله لتشغيل أجهزة حقيقية، ونقل الكهرباء على الطرق في المستقبل.

مصدر:تحسين كفاءة خلايا وقود الهيدروجين بتقنية جديدة – الطاقة (attaqa.net)