ابتكار خلايا وقود هيدروجين منخفضة الحرارة وبتكلفة أقل
دينا قدري
حقَّق باحثون بجامعة كيوشو باليابان طفرة في مجال خلايا وقود الهيدروجين، من شأنها أن تتغلب على التحديات الرئيسة التي تواجه هذا الابتكار.
ووفق التفاصيل التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، طوّر الباحثون نوعًا جديدًا من خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC) يعمل عند درجة حرارة 300 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت)، وهو انخفاض ملحوظ عن درجات حرارة التشغيل المعتادة.
وتُعدّ خلايا وقود الأكسيد الصلب أحد أنواع توليد الكهرباء الواعدة للغاية؛ فعلى عكس البطاريات التي تُطلق الطاقة الكيميائية المُخزّنة في صورة كهرباء، تُحوّل خلايا الوقود الوقود الكيميائي مباشرةً إلى كهرباء، وتستمر في ذلك ما دام الوقود متوفرًا.
ومن أنواع خلايا الوقود الشائعة المعروفة خلايا وقود الهيدروجين، التي تُحوِّل غاز الهيدروجين إلى طاقة وماء.
تطوير خلايا وقود منخفضة الحرارة
قال الباحثون في بيان صحفي: "يتوقع الفريق أن تُسهم نتائجه الجديدة في تطوير خلايا وقود أكسيد صلب منخفضة التكلفة ومنخفضة الحرارة، وأن تُسرّع بشكل كبير من التطبيق العملي لهذه الأجهزة".
ويُمكن أن يجعل التطوير هذه الخلايا الموّلدة للكهرباء أكثر فاعلية من حيث التكلفة وعملية للاستعمال على نطاق أوسع.
ويُعالج هذا العمل تحديًا رئيسًا لخلايا وقود أكسيد الصلب، بحسب ما أكده الباحثون في البيان الذي نشرته جامعة كيوشو اليابانية.
وأضاف الباحثون في بيان صحفي: "على الرغم من أن خلايا وقود الأكسيد الصلب واعدة نظرًا لكفاءتها العالية وعمرها الافتراضي الطويل، فإن أحد عيوبها الرئيسة هو أنها تتطلب التشغيل في درجات حرارة عالية تتراوح بين 700 و800 درجة مئوية (1292-1472 درجة فهرنهايت)".
وتتطلب هذه الحرارة مواد متخصصة ومكلفة ومقاومة للحرارة، ما يجعل هذه التقنية مكلفة للعديد من التطبيقات.
ومن المتوقع أن يؤدي انخفاض درجة حرارة التشغيل إلى خفض تكاليف التصنيع هذه، وفق التفاصيل التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.
مزايا خلايا وقود الأكسيد الصلب
أشار البروفيسور يوشيهيرو يامازاكي، من منصة أبحاث الطاقة متعددة التخصصات بجامعة كيوشو، الذي قاد الدراسة، إلى أن "خفض درجة حرارة التشغيل إلى 300 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت) من شأنه أن يخفض تكاليف المواد ويفتح الباب أمام أنظمة استهلاكية".
وينبع نجاح الفريق من إعادة هندسة إلكتروليت خلية الوقود، وهو الطبقة الخزفية التي تنقل البروتونات (أيونات الهيدروجين) لتوليد الكهرباء.
في السابق، واجهَ العلماء مفاضلة؛ فإضافة مواد كيميائية مشوّبة إلى الإلكتروليت تزيد من عدد البروتونات المتاحة، ولكنها تميل أيضًا إلى انسداد الشبكة البلورية للمادة، ما يُبطئ حركة البروتونات ويُقلّل من الأداء.
وعمل فريق كيوشو على حل هذه المشكلة؛ إذ صرّح يامازاكي قائلًا: "بحثنا عن بلورات أكسيد قادرة على استيعاب العديد من البروتونات والسماح لها بالتحرك بحرية، وهو التوازن الذي حققته دراستنا الجديدة أخيرًا".
ووجد الباحثون أنه من خلال إضافة مركبين، هما ستانات الباريوم (BaSnO3) وتيتانات الباريوم (BaTiO3)، بتركيزات عالية من السكانديوم (Sc)، يمكنهم إنشاء بنية فعّالة.
وبحسب التفاصيل التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة، أظهر تحليلهم أن ذرّات السكانديوم تُشكّل ما يُطلق عليه الباحثون "الطريق السريع"، ويُنشئ هذا الهيكل مسارًا واسعًا واهتزازيًا عبر المادة.
وأوضح يامازاكي: "هذا المسار واسع واهتزازي بهدوء، ما يمنع احتجاز البروتون الذي يُصيب عادةً الأكاسيد المُضافة بشدة".
وتُحقق المادة الناتجة موصلية بروتونات عند 300 درجة مئوية، وهو مستوى أداء يُضاهي الإلكتروليتات التقليدية لخلايا وقود الأكسيد الصلب التي تعمل عند أكثر من ضعف درجة الحرارة، وفق الدراسة التي نُشرت في مجلة "نيتشر ماتريالز" (Nature Materials).
طفرة عملية في قطاع الهيدروجين
تتجاوز آثار هذا العمل خلية الوقود هذه تحديدًا؛ فإن مبدأ التصميم المتمثل في إنشاء مسارات أيونية فعّالة في المواد يُشكّل أساسًا لتطوير تقنيات طاقة أخرى.
ويقترح البروفيسور يامازاكي تطبيق المفهوم نفسه لتحسين أدوات أخرى لإزالة الكربون.
وأكد قائلًا: "إلى جانب خلايا الوقود، يُمكن تطبيق المبدأ نفسه على تقنيات أخرى، مثل المُحللات الكهربائية منخفضة الحرارة، ومضخات الهيدروجين، والمفاعلات التي تُحوّل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية قيّمة، ما يُضاعف من تأثير إزالة الكربون".
ويهدف المشروع إلى تحويل تحدٍّ علمي قائم منذ زمن إلى نتيجة عملية.
ويختتم يامازاكي تصريحاته قائلًا: "يُحوّل عملنا مفارقة علمية قائمة منذ زمن إلى حل عملي، ما يُقرّب طاقة الهيدروجين بأسعار معقولة من الحياة اليومية".
موضوعات متعلقة..
- تركيب خلايا وقود الأكسيد الصلب على سفينة عائمة للإنتاج
- خلايا وقود الهيدروجين تقود ثورة في قطاع البناء رغم التحديات
- خلايا وقود الهيدروجين.. ابتكار يمنح الحياة على القمر أملًا جديدًا (فيديو)
اقرأ أيضًا..
- خط أنابيب النفط العراقي السوري.. فرصة ذهبية رغم توقفه منذ 22 عامًا
- واردات إسبانيا من الغاز ترتفع 8%.. والجزائر تتقدم على أميركا وروسيا
- الكهرباء في 100 عام.. كيف تحولت إلى عصب قطاع الطاقة العالمي؟
- إطالة عمر بطاريات السيارات الكهربائية.. تقنية صينية تخوض المنافسة
المصادر:
- ابتكار خلايا وقود الأكسيد الصلب منخفضة الحرارة، من موقع جامعة كيوشو
- معلومات إضافية عن الابتكار الجديد، من مجلة "نيتشر ماتريالز"
