Product Design, Manufacturing & Innovation Resources
بيت » خلية الوقود

خلية الوقود

1838
  • William Grove
جهاز خلايا الوقود المبكر من تصميم ويليام جروف، الذي يعرض مبادئ الكيمياء الكهروكيميائية في الكيمياء الفيزيائية.

(صورة توضيحية فقط)

خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يُحوّل مباشرةً الطاقة الكيميائية للوقود، عادةً الهيدروجين، وعامل مؤكسد، غالبًا الأكسجين، إلى كهرباء. على عكس البطارية، تتطلب هذه الخلية مصدرًا خارجيًا مستمرًا من الوقود والمؤكسد للعمل. مكوناتها الأساسية هي الأنود والكاثود والإلكتروليت، مما يُسهّل نقل الأيونات.

تعتمد آلية عمل خلية الوقود الأساسية على تفاعلي أكسدة واختزال متزامنين. عند المصعد (القطب السالب)، يتأكسد الوقود (مثل الهيدروجين)، مُطلقًا إلكترونات ومُنتجًا أيونات موجبة. وقود الهيدروجين الخلية، يكون هذا التفاعل هو [latex]2T2H_2 \ صحيح 4H^+ + 4e^-[/latex]. لا يمكن لهذه الإلكترونات أن تمر عبر الإلكتروليت؛ وبدلًا من ذلك، تُجبر هذه الإلكترونات على الانتقال عبر دائرة كهربائية خارجية، ما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي قابل للاستخدام. ومع ذلك، تهاجر الأيونات عبر الإلكتروليت إلى المهبط (القطب الموجب). وعند المهبط، يتفاعل العامل المؤكسد (على سبيل المثال، الأكسجين من الهواء) مع الأيونات والإلكترونات الواردة لتكوين ناتج نفايات، وهو عادة الماء في خلية وقود الهيدروجين. وتفاعل المهبط هو [latex]O_2 + 4H^+ + 4e^- \right 2H_2O[/latex].

هذه العملية هي تحويل مباشر للطاقة، حيث تُحوّل الطاقة الكيميائية الكامنة مباشرةً إلى طاقة كهربائية دون أي احتراق وسيط. تُعدّ هذه ميزةً رئيسيةً مقارنةً بمحركات الحرارة التقليدية (مثل محركات الاحتراق الداخلي)، التي تُقيّدها دورة كارنو وتفقد كميةً كبيرةً من الطاقة كحرارة مهدرة. يُعدّ الإلكتروليت مُكوّنًا أساسيًا، إذ تُحدّد خصائصه نوع خلية الوقود. يجب أن يكون موصلًا ممتازًا للأيون المُصمّم لنقله (مثل البروتونات، أو أيونات الهيدروكسيد، أو أيونات الأكسيد)، ولكنه موصلٌ رديءٌ للإلكترونات، مما يمنع حدوث قصرٍ كهربائيٍّ داخليٍّ في الخلية.

UNESCO Nomenclature: 2203
- الكيمياء الفيزيائية

يكتب

الجهاز المادي

خلل

أساسيات

الاستخدام

استخدام واسع النطاق

مقدمات

  • اكتشاف الهيدروجين بواسطة هنري كافنديش (1766)
  • اكتشاف الأكسجين بواسطة جوزيف بريستلي وكارل فيلهلم شيل (حوالي عام 1774)
  • اختراع كومة فولتية بقلم أليساندرو فولتا (1800)
  • formulation of the laws of التحليل الكهربائي by Michael Faraday (1833)

التطبيقات

  • الدفع بالسيارات (FCEVs)
  • توليد الطاقة الثابتة
  • أجهزة الطاقة المحمولة
  • أنظمة الطاقة الاحتياطية لمراكز البيانات والاتصالات
  • الطاقة للمركبات الفضائية والمواقع النائية

براءات الاختراع:

  • US391381A (Francis Bacon, 1959, for alkaline fuel cell)

أفكار ابتكارية محتملة

  • خلايا وقود مصغرة للأجهزة الطبية القابلة للزرع
  • طائرات بدون طيار تعمل بخلايا الوقود مع أوقات طيران ممتدة
  • وحدات خلايا الوقود السكنية التي توفر الكهرباء والماء الساخن من الغاز الطبيعي
  • flexible, يمكن ارتداؤها fuel cells integrated into textiles to power personal electronics
  • مزارع خلايا الوقود واسعة النطاق لتثبيت الشبكة وتخزين الطاقة
  • خلايا الوقود الحيوي التي تولد الكهرباء من النفايات العضوية
  • خلايا الوقود القابلة للعكس لتخزين الطاقة المتكاملة وتوليدها في المنازل غير المتصلة بالشبكة
  • خلايا الوقود المصممة للبيئات القاسية، مثل استكشاف أعماق البحار أو المركبات الكوكبية
  • مجموعات خلايا الوقود المخصصة المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد لتطبيقات متخصصة
  • خلايا الوقود التي تستخدم بخار الماء الجوي كمصدر لإنتاج الهيدروجين عبر التحليل الكهربائي المتكامل
ذات صلة بـ: خلية الوقود، الكيمياء الكهربائية، الهيدروجين، الأكسجين، المصعد، المهبط، الإلكتروليت، تفاعل الأكسدة والاختزال، التحويل المباشر للطاقة، ويليام غروف.

السياق التاريخي

خلية الوقود

1832
1834
1835
1838
1841
1845
1850
1831
1833
1834
1836
1839-01-01
1842
1847
1850

(إذا كان التاريخ غير معروف أو غير ذي صلة، على سبيل المثال "ميكانيكا الموائع"، يتم توفير تقدير تقريبي لظهوره الملحوظ)

أحدث الإضافات

أهم المنشورات والمقالات

أفضل الأدوات الأصلية

السنة العاشرة عيد

الصور والتنزيلات بالحجم الكامل متاحة فقط، ومجانية تمامًا، للأعضاء المسجلين.