عندما يتعلق الأمر بمصادر الطاقة الجديدة، فإن طاقة الرياح والطاقة الكهرومائية والطاقة الشمسية والطاقة النووية كلها معروفة جيدا، ومعظمها مفضلة في سوق رأس المال. ومع ذلك، ظل الهيدروجين، باعتباره منافسًا لا يقل أهمية، غير معروف نسبيًا ويفتقر إلى الرؤية القوية. ومع ذلك، فإن الزمن يتغير. لقد كسر معرض شنغهاي للاستيراد في نوفمبر 2021 هذا النمط المتأصل. عرضت شركة تويوتا اليابانية الجيل الثاني من سيارة الركاب التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين ميراي لأول مرة في الصين. ويبلغ مداه الأقصى 850 كيلومترًا، متجاوزًا غالبية مركبات الطاقة الجديدة التي تعمل بالليثيوم في ضربة واحدة.
في أيامنا هذه ما يسمى "مركبة تعمل بالهيدروجين" يشير على وجه التحديد إلى السيارات التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين. ومع ذلك، على عكس بطاريات أيونات الليثيوم، فإن خلايا وقود الهيدروجين هي في الأساس أجهزة تولد الطاقة الكهربائية من خلال تفاعل كيميائي بين الهيدروجين والأكسجين. والمنتج الثانوي النهائي لهذا التفاعل الكيميائي هو الماء فقط، على عكس الوقود التقليدي. المركبات التي تنبعث منها مواد مثل أكاسيد الكربون، وأكاسيد النيتروجين، وأكاسيد الكبريت، ولذلك يعتبر الهيدروجين مصدر طاقة قادر على تحقيق "صفر انبعاثات".
في خلايا وقود الهيدروجين، يلعب التيتانيوم دورًا حاسمًا.تتميز الصفائح ثنائية القطب المصنوعة من التيتانيوم في خلايا وقود الهيدروجين بسماكة رقيقة، وموصلية ممتازة، وخصائص حرارية جيدة، وقوة ميكانيكية عالية، وعزل فعال للغاز. تساعد هذه الخصائص في تعزيز كثافة طاقة الخلية. تستخدم مركبة خلايا الوقود Toyota MIRAI اليابانية ألواحًا ثنائية القطب مصنوعة من التيتانيوم. بالإضافة إلى ذلك، فإن طبقة نشر الغاز (GDL أو PTL)، التي تشكل 17% من تكلفة المحلل الكهربائي، تستخدم التيتانيوم عالي الأداء من الدرجة الصناعية كمادة أساسية للأنود، مما يتيح تحقيق أقصى قدر من النشاط.
يتضمن مبدأ العمل الأساسي لخلايا وقود الهيدروجين مرور الهيدروجين عبر المحفز (البلاتين) عند القطب الموجب للخلية، حيث يتحلل إلى إلكترونات وأيونات هيدروجين. تنتقل أيونات الهيدروجين بعد ذلك عبر غشاء تبادل البروتونات لتصل إلى القطب السالب، حيث تتفاعل مع الأكسجين لتكوين الماء والحرارة. وفي الوقت نفسه، تتدفق الإلكترونات من القطب الموجب عبر دائرة خارجية إلى القطب السالب، مما يولد الطاقة الكهربائية.
بعبارات بسيطة، يتحد الهيدروجين والأكسجين داخل خلية الوقود، وينتجان الكهرباء والماء. تعمل الكهرباء على تشغيل السيارة، في حين أن الماء هو المنتج الثانوي الوحيد الذي يتم طرده من السيارة.
ومن هذا المبدأ التشغيلي، فإن المزايا المهمة لخلايا وقود الهيدروجين هي ثلاثة جوانب:
أولاً، النظافة: المنتج الثانوي الوحيد هو الماء، مما يؤدي إلى تجنب انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
ثانياً: السلامة:تعمل العملية الكهروكيميائية التي تحرك خلايا وقود الهيدروجين على تخفيف مخاطر الاحتراق التلقائي أو الانفجارات، على عكس الأنظمة المعتمدة على الاحتراق.
ثالثاً: الراحة: حيمكن ضغط غاز الهيدروجين مما يسهل نقله وتخزينه.
ومن المهم أن نلاحظ أن خلية الوقود في المركبات التي تعمل بالهيدروجين تختلف عن البطاريات الكيميائية التقليدية. تسهل خلية الوقود التفاعل الكهروكيميائي بين الهيدروجين والأكسجين دون احتراق، مما يؤدي إلى إنتاج الماء كمنتج ثانوي وإطلاق الطاقة الكهربائية.
يتم توليد الطاقة الكهربائية في المركبات التي تعمل بخلايا الوقود الهيدروجيني بشكل فوري من خلال التفاعل بين الهيدروجين المخزن والأكسجين الجوي داخل مجموعة خلايا الوقود، على عكس المركبات الكهربائية التي تخزن الطاقة من شبكة خارجية قبل استخدامها. لذلك، على الرغم من اسم "خلية الوقود" في المركبات الهيدروجينية، إلا أن عملية إطلاق الطاقة فيها تشبه محركات الاحتراق الداخلي (تفاعل البنزين مع الأكسجين الخارجي) أكثر من عملية تخزين الطاقة في المركبات الكهربائية.
على غرار مركبات محرك الاحتراق الداخلي، فإن العنصر الأكثر تكلفة في مركبة خلايا وقود الهيدروجين هو جهاز توليد الطاقة بدلاً من جهاز تخزين الطاقة (على سبيل المثال، في السيارات الكهربائية، العنصر الأكثر تكلفة هو البطارية، وداخل البطارية، الأنود والكاثود والكهارل). على وجه التحديد، إنها مجموعة خلايا الوقود بدلاً من خزان الهيدروجين.
ونظرًا للتكلفة المرتفعة نسبيًا لأنظمة خلايا وقود الهيدروجين، وخاصة مجموعة خلايا الوقود، فإن المرحلة الحالية تشهد تكاليف إنتاج مركبات الهيدروجين أعلى من تكاليف المركبات الكهربائية النقية ومركبات محركات الاحتراق التقليدية. يظل عامل التكلفة هذا عائقًا كبيرًا أمام تطوير صناعة مركبات خلايا وقود الهيدروجين.
