خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني Proton Exchange Membrane Fuel Cells :
خلايا الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني(PEMFC) هي من أفضل أنواع خلايا الوقود للاستخدام كمصدر كهربائي يغذي وسائل النقل الذي قد يستخدم في المستقبل كبديل لمحركات الاحتراق الداخلي internal combustion engines التي تستخدم الديزل أو الغازولين كوقود. أول استخدام لهذه الخلايا كان بالستينات من قبل ناسا في (NASA Gemini program). يتم حاليا تطوير خلايا وقود غشاء التبادل الالكتروني وتعمل في أنظمة باستطاعة من 1W إلى 2kW.
تستخدم هذه الخلايا غشاء صلب بولميري solid polymers membrane (غشاء بلاستيكي رقيق) كوسيط. هذا البوليمير نافذ للبروتونات المشبعة بالماء ولا يمرر الالكترونات. الوقود المستخدم في خلايا غشاء التبادل الكتروني هو الهيدروجين وحاملات الشحنة هي ايونات الهيدروجين الموجبة (بروتونات). في القطب الموجب ينقسم الهيدروجين إلى ايونات هيدروجين (بروتونات) والكترونات. تعبر ايونات الهيدروجين الوسيط إلى القطب السالب بينما تسري الالكترونات عبر دارة خارجية لتولد الكهرباء ،الأكسجين (من الهواء) يندمج مع الكترونات وايونات الهيدروجين مكوناً الماء , التفاعلات الكيميائية عند الأقطاب تكون كالتالي :
|
التفاعلات في القطب الموجب (Anode Reaction) |
2H2 ⇒ 4H+ + 4e– |
|
التفاعلات في القطب السالب (Cathode Reaction) |
O2 + 4H+ + 4e– ⇒ 2 H2O |
|
التفاعل النهائي (Overall Cell Reaction) |
2H2 + O2 ⇒ 2 H2O |
مقارنة مع الأنواع الأخرى من خلايا الوقود فإن خلايا غشاء التبادل البروتوني تولد طاقة أكبر لوزن أو حجم خلية معطى. خاصية الكثافة الكهربائية العالية هذه تجعلها خلايا وقود ذات وثوقية عالية و وزن خفيف ،بالإضافة إلى ذلك فان خلايا الوقود ذات غشاء التبادل الالكتروني تعمل بدرجة حرارة اقل من 100ºC أي أنها تعمل بسرعة ( لأن ظروف عملها موفرة ). هذه الميزات والاستجابة السريعة لتغير الطلب على الكهرباء التي تؤمنها خلايا الوقود هذه يجعلها المرشح الأكبر للاستخدام في الآليات الكهربائية المختلفة. المزايا الأخرى التي يقدمها الوسيط الصلب مقارنة بالوسيط السائل, فان بناء الخلايا يكون أسهل من حيث وصل القطبين الموجب والسالب والوسيط. لذا فان تكلفته تصنيعه أقل. أيضاً فان الوسيط الصلب محصن أكثر ضد المشاكل المختلفة التي تتعرض لها خلايا الوقود مثل التآكل, بالتالي فان الميزة الأهم للوسيط الصلب على الأنواع الأخرى لخلايا الوقود انه يعمل على زيادة عمر خلية الوقود وبالتالي المكدس ككل.
لكن لدرجة الحرارة المنخفضة مساوئها أيضاً, فدرجة حرارة تشغيل خلية الوقود ذات غشاء التبادل البروتوني منخفضة اقل من 100ºC وهي ليست عالية لتكفي لتشكيل الوقود ذاتياً داخل الخلية. أيضا من مساوءها انه لابد أن يكون الوسيط مشبع بالماء حتى يعمل بشكل نظامي, أي لابد من التحكم و السيطرة بشكل كامل وبحذر على درجة رطوبة القطبين الموجب والسالب لها.
