خلية وقود غشائية لتبادل البروتونات ذات درجة حرارة عالية

طُوِّرت خلية الوقود HT-PEM عام 1995 للعمل عند درجات حرارة أعلى بهدف تقليل حساسية خلايا وقود PEM للشوائب. ^{[ 3 ]} وبذلك، تُعدّ تقنية خلية الوقود HT-PEM من أحدث أنواع خلايا الوقود، وقد بدأت العديد من الشركات بإنتاج أنظمة خلايا الوقود HT-PEM منذ مطلع القرن الحادي والعشرين.

يتكون الغشاء من بوليمر مقاوم للأحماض والحرارة، يتميز بقدرته على امتصاص الأحماض التي تعمل كإلكتروليت. ^{[ 4 ]} يُستخدم عادةً بولي بنزيميدازول (PBI) كغشاء، بينما يُستخدم حمض الفوسفوريك كإلكتروليت. ^{[ 5 ]} تُشبه تقنية خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات عالي الحرارة (HT-PEM) تقنية خلايا وقود حمض الفوسفوريك (PAFC)، ولكنها تختلف عنها بشكل أساسي في الغشاء المستخدم، مما يُتيح استخدامها في تطبيقات محمولة.

بينما تتطلب خلية الوقود PEM الشائعة، والتي تُسمى أيضًا خلية وقود غشاء تبادل البروتونات منخفضة الحرارة (LT-PEM)، عادةً استخدام الهيدروجين عالي النقاء بنسبة تزيد عن 99.9%، فإن خلية الوقود HT-PEM أقل حساسية للشوائب، وبالتالي تُشغل عادةً بغاز مُعاد تشكيله بتركيز هيدروجين يتراوح بين 50 و75%. وعلى عكس خلية LT-PEM، الحساسة لتركيز أول أكسيد الكربون الذي يصل إلى عدة أجزاء في المليون، تُشغل خلايا HT-PEM بتركيزات أول أكسيد الكربون التي تصل إلى حوالي 3% حجمًا. ^{[ 6 ]} وعادةً ما تُشغل خلايا HT-PEM عند درجة حرارة تتراوح بين 150 و180  درجة مئوية.

تسمح الحساسية المنخفضة للشوائب باستخدام أنواع وقود مثل الميثانول والإيثانول والغاز الطبيعي وغاز البترول المسال وثنائي ميثيل الإيثر، وما إلى ذلك، والتي يتم إعادة تشكيلها في جهاز إعادة التشكيل لإنتاج غاز مُعاد تشكيله غني بالهيدروجين، حيث يكون تصميم نظام خلية الوقود بسيطًا دون الحاجة إلى خطوات تنقية لتنقية غاز إعادة التشكيل. ^{[ 7 ]}

نظراً لانخفاض حساسية الغشاء للشوائب وقدرته على توصيل البروتونات، يمكن استخدام مجموعة أقطاب الغشاء المستخدمة في خلايا وقود HT-PEM لفصل الهيدروجين، وذلك لفصل الهيدروجين فائق النقاء بكفاءة من الغازات المخففة أو التي تحتوي على شوائب. ^{[ 8 ]}

تتراوح كفاءة نظام التوازن في أنظمة خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات عالي الحرارة التي تعمل بالميثانول عادةً بين 35 و45%، ويمكن أن تصل إلى حوالي 55% اعتمادًا على تصميم النظام وظروف التشغيل. أما بالنسبة لكفاءة الخلية، فيمكن الوصول إلى 63%.

نظرًا لأن عملية إعادة تشكيل الميثانول بالبخار أبسط وأكثر كفاءة (درجة حرارة طبقة المحفز أقل من 280  درجة مئوية) مقارنةً بإعادة تشكيل أنواع الوقود الأخرى، ولأن الميثانول التقليدي والميثانول المتجدد (مثل المُصنّع من النفايات أو الطاقة المتجددة) يتميزان بانخفاض التكلفة ونقاوة عالية، فضلًا عن سهولة تخزين الميثانول، فإن معظم خلايا وقود HT-PEM تعمل بالميثانول. وتُعد خلية وقود HT-PEM التي تعمل بالميثانول النوع الأكثر استخدامًا من خلايا وقود الميثانول المُعاد تشكيله (RMFC).

• لا حاجة لإدارة المياه لترطيب الغشاء مقارنةً بخلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات منخفض الحرارة. ^{[ 9 ]}
• يمكن استخدام الحرارة المهدرة من المكدس (من 130 إلى 180  درجة مئوية) مما يجعل توليد الطاقة والحرارة معًا (CHP) ممكنًا لمزيد من استخدام الحرارة، على عكس خلية الوقود LT-PEM التي تتميز بدرجة حرارة منخفضة جدًا للحرارة المهدرة تقل عن 80  درجة مئوية. ^{[ 10 ]}
• يُمكن تبريد المكدس بسهولة نظرًا لارتفاع درجة حرارة المكدس مقارنةً بخلية وقود LT-PEM (سطح التبادل الحراري، قدرة التبريد). ^{[ 11 ]}
• يمكن استخدام أنواع مختلفة من الوقود التي يمكن إعادة تشكيلها في جهاز إعادة التشكيل لإنتاج غاز غني بالهيدروجين (مثل الميثانول، والإيثانول، والبروبانول، والبيوتانول الحيوي ، والجلسرين الحيوي، والميثان، والإيثان، والبروبان، والبيوتان ، و OME ، والبنزين، والأمونيا ). ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}
• يُمكن تصميم نظام بسيط حيث لا حاجة إلى خطوة تنقية لخلايا الوقود HT-PEM التي تعمل بالميثانول. ^{[ 15 ]}
• إن استخدام المكونات البلاستيكية والأختام المطاطية في المكدس أمر ممكن على عكس خلايا الوقود SOFC.
• تتميز أنظمة خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات عالي الحرارة (HT-PEM) التي تعمل بوقود الميثانول بكفاءة أعلى (من 35 إلى 45%) مقارنةً بخلايا الوقود التي تعمل بوقود الميثانول المباشر (DMFC) (من 20 إلى 30%). كما تتميز باستهلاك منخفض لوقود الميثانول.
• لا حاجة إلى نقاء عالٍ لوقود الميثانول لنظام خلية الوقود HT-PEM الذي يعمل بالميثانول مقارنة بنظام DMFC.
• من الممكن أن يكون عمر نظام خلية الوقود HT-PEM الذي يعمل بالميثانول أطول من عمر نظام خلية الوقود DMFC.
• يمكن استخدام أنواع الوقود النقية أو مخاليط الماء والوقود (حسب تصميم نظام خلية الوقود).
• استخدام الوقود المتجدد أمر ممكن.
• لا تشكل درجات حرارة التخزين الباردة التي تقل عن 0  درجة مئوية مشكلة لغشاء خلية الوقود على عكس خلايا الوقود DMFC و LT-PEM.
• يمكن استخدام الهيدروجين منخفض النقاوة كوقود. ويُعدّ الهيدروجين منخفض النقاوة أرخص من الهيدروجين عالي النقاوة الذي يُستخدم عادةً في خلايا وقود LT-PEM.
• إن استخدام أنواع الوقود مثل الميثانول يجعل تكاليف الوقود أرخص لكل كيلوواط ساعة مقارنة بالهيدروجين (مثل خلايا وقود LT-PEM) أو الديزل (مثل المولدات الكهربائية) كوقود.

• يستغرق بدء التشغيل وقتًا أطول مقارنةً بخلايا وقود LT-PEM (الوقت اللازم لتسخين المكدس والمُصلِح). لذا، قد يكون من الضروري أحيانًا استخدام بطارية هجينة أكبر من تلك المستخدمة في أنظمة خلايا وقود LT-PEM.
• يُعد وجود مكون نظام لتسخين المكدس أثناء بدء التشغيل أمرًا ضروريًا على عكس خلية الوقود LT-PEM و DMFC.
• يتطلب الوصول إلى إنتاج طاقة عالية أو كفاءة مماثلة لخلايا وقود الهيدروجين ذات غشاء تبادل البروتونات منخفض الحرارة (LT-PEM) عددًا أكبر من الخلايا مقارنةً بخلايا وقود LT-PEM، وذلك بسبب منحنى الأداء الضعيف لخلايا وقود HT-PEM: ارتفاع تكاليف وحجم ووزن المكدس مقارنةً بخلايا وقود LT-PEM. ولا تزال التقنيات اللازمة لتحسين خصائص منحنى الأداء قيد البحث الأساسي.
• يُستخدم محتوى أعلى من البلاتين (حوالي 8-14 غرام من البلاتين لكل كيلوواط) في مجموعة غشاء القطب الكهربائي مقارنةً بخلايا وقود LT-PEM ، لذا يجب النظر في إعادة تدوير البلاتين. ويجري حاليًا تطوير أقطاب كهربائية خالية من البلاتين لخلايا وقود HT-PEM في مرحلة البحث الأساسي. ^{[ 16 ]}
• عند استخدام الوقود العضوي، ينبعث ثاني أكسيد الكربون وربما آثار من أول أكسيد الكربون (يعتمد التركيز على تصميم النظام، وعادة ما يكون تركيز أول أكسيد الكربون أقل بكثير من تركيزه المنبعث من محركات الاحتراق).
• يجب أن تكون بعض مكونات النظام قادرة على تحمل درجات حرارة أعلى من تلك الموجودة في خلايا الوقود LT-PEM وخلايا الوقود DMFC مما يحد من اختيار المواد القابلة للتطبيق (مثل البوليمرات ذات المقاومة التي تصل إلى 120 - 180  درجة مئوية).