خلية وقود قلوية

تُعدّ خلية الوقود القلوية ( AFC )، والمعروفة أيضًا باسم خلية وقود بيكون نسبةً إلى مخترعها البريطاني فرانسيس توماس بيكون ، من أكثر تقنيات خلايا الوقود تطورًا . تستهلك خلايا الوقود القلوية الهيدروجين والأكسجين النقي لإنتاج الماء الصالح للشرب والحرارة والكهرباء. وهي من بين أكثر خلايا الوقود كفاءةً، إذ تصل كفاءتها إلى 70%.

استخدمت ناسا خلايا الوقود القلوية منذ منتصف الستينيات، في مهمات سلسلة أبولو وعلى مكوك الفضاء . ^{[ 1 ]}

تُنتج خلية الوقود الطاقة من خلال تفاعل أكسدة-اختزال بين الهيدروجين والأكسجين. عند المصعد ، يتأكسد الهيدروجين وفقًا للتفاعل التالي:

${\displaystyle \mathrm {H} _{2}+\mathrm {2OH} ^{-}\longrightarrow \mathrm {2H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {2e} ^{-}}$

ينتج الماء ويطلق الإلكترونات. تتدفق الإلكترونات عبر دائرة خارجية وتعود إلى المهبط ، مما يؤدي إلى اختزال الأكسجين في التفاعل:

${\displaystyle \mathrm {O} _{2}+\mathrm {2H} _ {2}\mathrm {O} +\mathrm {4e} ^{-}\longrightarrow \mathrm {4OH} ^{-}}$

ينتج عن هذا التفاعل أيونات الهيدروكسيد . ويستهلك التفاعل الكلي جزيء أكسجين واحد وجزيئين من الهيدروجين لإنتاج جزيئين من الماء. وينتج عن هذا التفاعل الكهرباء والحرارة كمنتجات ثانوية.

يفصل بين القطبين مصفوفة مسامية مشبعة بمحلول قلوي مائي، مثل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH). لا تطرد المحاليل القلوية المائية ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ ، لذا قد تتعرض خلية الوقود لـ"تسمم" نتيجة تحول هيدروكسيد البوتاسيوم إلى كربونات البوتاسيوم (K₂CO₃ ₎ . ^[ _٢ ^] ولهذا السبب، تعمل خلايا الوقود القلوية عادةً بالأكسجين النقي، أو على الأقل بالهواء النقي ^، وتتضمن تصميمها جهاز تنقية لإزالة أكبر قدر ممكن من ثاني أكسيد الكربون. ^{[ ١ ]} ونظرًا لأن متطلبات توليد وتخزين الأكسجين تجعل خلايا الوقود القلوية التي تعمل بالأكسجين النقي باهظة الثمن، فإن عدد الشركات العاملة بنشاط في تطوير هذه التقنية قليل. ومع ذلك، يدور نقاش في الأوساط البحثية حول ما إذا كان التسمم دائمًا أم قابلًا للعكس. تتمثل الآليات الرئيسية للتسمم في انسداد مسام الكاثود بكربونات البوتاسيوم (K₂CO₃ ) _{، وهي} عملية غير قابلة للعكس، وانخفاض الموصلية الأيونية للإلكتروليت، والذي يمكن عكسه بإعادة هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) إلى تركيزه الأصلي. وتتمثل طريقة بديلة في استبدال هيدروكسيد البوتاسيوم ببساطة، مما يعيد الخلية إلى إنتاجها الأصلي. عند تفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الإلكتروليت، تتشكل الكربونات. ويمكن أن تترسب الكربونات على مسام الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي في النهاية إلى انسدادها. وقد وُجد أن خلايا الوقود القلوية (AFCs) التي تعمل في درجات حرارة أعلى لا تُظهر انخفاضًا في الأداء، بينما عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا، لوحظ انخفاض ملحوظ في الأداء. ويُعتقد أن تسمم الكربونات عند درجة حرارة الغرفة ناتج عن انخفاض ذوبانية كربونات البوتاسيوم _{( K₂CO₃ )} عند درجة حرارة الغرفة، مما يؤدي إلى ترسبها وسد مسام _القطب . كما أن هذه الرواسب تُقلل تدريجيًا من كراهية الماء لطبقة دعم القطب، مما يؤدي إلى تدهور بنيتها وغمر القطب.

${\displaystyle \mathrm {CO} _{2}+\mathrm {2KOH} \longrightarrow \mathrm {K} _{2}\mathrm {CO} _{3}+\mathrm {H} _ {2}\mathrm {O} }$ من ناحية أخرى، يمكن لأيونات الهيدروكسيد الحاملة للشحنة في الإلكتروليت أن تتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون الناتج عن أكسدة الوقود العضوي (مثل الميثانول وحمض الفورميك) أو الهواء لتكوين أنواع الكربونات.

${\displaystyle \mathrm {2OH} ^{-}+\mathrm {CO} _{2}\longrightarrow \mathrm {CO} _{3}^{2-}+\mathrm {H} _ {2}\mathrm {O} }$ يؤدي تكوّن الكربونات إلى استنزاف أيونات الهيدروكسيد من الإلكتروليت، مما يقلل من موصليته وبالتالي أداء الخلية. إضافةً إلى هذه التأثيرات الكلية، قد يكون لتغير ضغط البخار و/أو حجم الإلكتروليت تأثير سلبي على إدارة الماء.

بسبب هذا التأثير السام، يوجد نوعان رئيسيان من خلايا الوقود القلوية: خلايا الإلكتروليت الثابت وخلايا الإلكتروليت المتدفق. تستخدم خلايا الإلكتروليت الثابت، أو غير المتحرك، من النوع المستخدم في مركبة أبولو الفضائية ومكوك الفضاء، عادةً فاصلًا من الأسبستوس مشبعًا بهيدروكسيد البوتاسيوم. ويتم التحكم في إنتاج الماء عن طريق التبخر من المصعد، مما ينتج ماءً نقيًا يمكن استخدامه لأغراض أخرى. وتستخدم هذه الخلايا عادةً محفزات البلاتين لتحقيق أقصى كفاءة حجمية ونوعية.

تستخدم تصميمات الإلكتروليت المتدفق بنيةً أكثر انفتاحًا تسمح بتدفق الإلكتروليت إما بين الأقطاب (بشكل موازٍ لها) أو عبرها في اتجاه عرضي (كما في خلايا وقود ASK أو EloFlux). في تصميمات الإلكتروليت المتدفق بشكل متوازٍ، يُحتفظ بالماء الناتج في الإلكتروليت، ويمكن استبدال الإلكتروليت القديم بآخر جديد، على غرار تغيير زيت المحرك في السيارة . يتطلب هذا التدفق مساحةً أكبر بين الأقطاب، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة الخلية، وبالتالي انخفاض القدرة الناتجة مقارنةً بتصميمات الإلكتروليت الثابت. ومن التحديات الأخرى التي تواجه هذه التقنية مدى خطورة مشكلة الانسداد الدائم للكاثود بواسطة كربونات البوتاسيوم (K₂CO₃ ) _{؛ إذ} أشارت بعض التقارير المنشورة إلى آلاف الساعات من التشغيل في الهواء. وقد استخدمت هذه التصميمات محفزات من البلاتين ومعادن غير نبيلة، مما أدى إلى زيادة الكفاءة وزيادة التكلفة.

يتميز تصميم EloFlux، بتدفقه العرضي للإلكتروليت، بميزة انخفاض تكلفة البناء وإمكانية استبدال الإلكتروليت، ولكن حتى الآن تم إثباته باستخدام الأكسجين فقط.

تتكون الأقطاب الكهربائية من بنية ثنائية الطبقات: طبقة محفز كهربائي نشطة وطبقة كارهة للماء. تتألف الطبقة النشطة من خليط عضوي يُطحن ثم يُلفّ في درجة حرارة الغرفة لتشكيل صفيحة متشابكة ذاتية الدعم. تمنع البنية الكارهة للماء تسرب الإلكتروليت إلى قنوات تدفق غازات التفاعل، وتضمن انتشار الغازات إلى موقع التفاعل. بعد ذلك، تُضغط الطبقتان على شبكة معدنية موصلة، وتُستكمل العملية بالتلبيد.

وتشمل الاختلافات الأخرى في خلية الوقود القلوية خلية وقود هيدريد المعادن وخلية وقود بوروهيدريد المباشر .

تعمل خلايا الوقود القلوية في نطاق درجة حرارة يتراوح بين درجة حرارة الغرفة و90  درجة مئوية، بكفاءة كهربائية أعلى من خلايا الوقود ذات الإلكتروليت الحمضي، مثل خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات (PEMFC)، وخلايا وقود الأكسيد الصلب ، وخلايا وقود حمض الفوسفوريك . وبفضل التركيب الكيميائي القلوي، تكون حركية تفاعل اختزال الأكسجين (ORR) عند المهبط أسرع بكثير منها في الخلايا الحمضية، مما يسمح باستخدام معادن غير نبيلة ، مثل الحديد والكوبالت والنيكل والمنغنيز ، أو مواد نانوية كربونية عند المصعد (حيث يتأكسد الوقود)؛ ومحفزات أرخص مثل الفضة عند المهبط، ^{[ 2 ]} نظرًا لانخفاض الجهد الزائد المصاحب للتفاعلات الكهروكيميائية عند درجة حموضة عالية .

كما أن الوسط القلوي يُسرّع أكسدة أنواع الوقود مثل الميثانول، مما يجعلها أكثر جاذبية. وينتج عن ذلك تلوث أقل مقارنةً بخلايا الوقود الحمضية.

تُعد خلايا الوقود القلوية (AFCs) الأرخص تكلفةً بين أنواع خلايا الوقود. ويمكن أن يكون المحفز المطلوب للأقطاب الكهربائية أيًا من عدد من المواد الكيميائية المختلفة التي تُعتبر رخيصة الثمن مقارنةً بتلك المطلوبة لأنواع خلايا الوقود الأخرى.

تكمن الآفاق التجارية لخلايا الوقود القلوية إلى حد كبير في النسخة ثنائية القطب المطورة حديثًا من هذه التقنية، والتي تتفوق بشكل كبير في الأداء على النسخ أحادية القطب السابقة.

استخدمت أول سفينة تعمل بخلايا الوقود في العالم، وهي سفينة هيدرا ، نظام AFC  بقدرة صافية تبلغ 5 كيلوواط.

ومن التطورات الحديثة الأخرى خلية الوقود القلوية الصلبة، التي تستخدم غشاء تبادل أيوني صلب بدلاً من الإلكتروليت السائل. وهذا يحل مشكلة التسمم ويسمح بتطوير خلايا وقود قلوية قادرة على العمل باستخدام ناقلات غنية بالهيدروجين أكثر أماناً مثل محاليل اليوريا السائلة أو مركبات الأمينات المعدنية.

• قطب نشر الغاز
• مسرد مصطلحات خلايا الوقود
• الهيدرازين
• تقنيات الهيدروجين

المطورون

• شركة AFC للطاقة
• قوة مستقلة
• شركة جينسل للطاقة