تقنية تصنع خلايا الوقود الهيدروجينية الخضراء في 10 دقائق

توصَّل باحثون إلى تقنية مبتكرة لتصنيع خلايا الوقود الهيدروجينية الخضراء في زمن قياسي لا يتجاوز 10 دقائق، وفق دراسة طالعت نتائجها منصة الطاقة المتخصصة.

وتعتمد التقنية التي طوّرها الباحثون في قسم الهندسة الميكانيكية بالمعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا -واختصاره "كيه إيه آي إس تي" (KAIST)- على جهاز التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب –وهي تقنية لازمة لإنتاج الهيدروجين الأخضر-.

ويختلف هذا المحلل الكهربائي عن الأنواع الأخرى (القلوية، أو القائمة على غشاء التبادل البروتوني) في آلية عمله؛ إذ يحتاج إلى مادة سيراميكية صلبة يُطلَق عليها أكسيد الصلب.

وتُحلّل خلايا الأكسيد الصلب بخار الماء في درجات حرارة مرتفعة ناجمة عن التشغيل الصناعي للمنشآت، باستعمال إلكتروليت صلب من السيراميك بدلًا من الاعتماد على الماء، ما يؤدي في نهاية الأمر إلى توفير استهلاك الكهرباء، وتقليل التكلفة.

وفي تقنية تصنيع خلايا الوقود الهيدروجينية الخضراء يجري تصليد مساحيق المواد المستعمَلة في الخلية في درجة حرارة عالية جدًا عبر تقنية "التلبيد"؛ ما يخفض استهلاك الطاقة ووقت الإنتاج بشكل كبير.

و"التلبيد" هي عملية صناعية وحرارية تُضغَط فيها مادة مسحوقة وتُسخَّن إلى درجة حرارة أقل من نقطة انصهارها؛ ما ينتُج عنه ترابط الجسيمات وتشكيل كتلة صلبة ومتماسكة دون أن تنصهر المادة.

آلية التقنية

نجحت نخبة من الباحثين في قسم الهندسة الميكانيكية في "كيه إيه آي إس تي" بتقصير الزمن اللازم لإنجاز عملية "التلبيد" من 6 ساعات إلى 10 دقائق، وخفض درجة الحرارة من 1400 درجة مئوية إلى 1200 درجة مئوية.

ويعكف الباحثون حاليًا على تقييم تلك التقنية بوصفها ابتكارًا فريدًا يخفض كمية الطاقة والوقت اللازمين لتصنيع خلايا الوقود الهيدروجينية الخضراء؛ ما يمهّد لبدء عصر إنتاج الهيدروجين الأخضر الصديق للبيئة على نطاق واسع.

وأعلن "كيه إيه آي إس تي" أن فريق الباحثين لديه -بقيادة البروفيسور كانغ- تايك لي في قسم الهندسة الميكانيكية- قد طوّر تقنية فائقة السرعة قادرة على تصنيع خلية وقود هيدروجينية خضراء في 10 دقائق.

وتتضمن عملية "التلبيد" التي ترتكز عليها التقنية الجديدة، تصليد مسحوق السيراميك الذي تتكون منه البطارية في درجات جرارة عالية، لربط جزيئاته معًا.

وقال الباحثون، إن إنجاز تلك العملية بالشكل الملائم يضمن عدم تسرُّب الغاز من داخل البطارية، مشيرين إلى أن خلط الهيدروجين والأكسجين قد ينتُج عنه انفجارات خطيرة.

كما تضمن العملية المذكورة إمكان تحرُّك أيونات الأكسجين دون فقدانها، إلى جانب ربط الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت بإحكام لضمان تدفُّق التيار الكهربائي بسلاسة.

ويعني هذا أن الأداء والعمر التشغيلي لخلية إلكتروليت تتوقف على دقة عملية "التصليد".

"التسخين الحجمي"

طبّق الباحثون تقنية "التسخين الحجمي" التي تستعمِل موجات الميكروويف لتسخين المواد بشكل موحّد من الداخل، ونجحوا فعليًا في تقصير زمن عملية "التلبيد" التي كانت تستغرق في السابق ساعات طويلة، بأكثر من 30 ضعفًا.

و"التسخين الحجمي" بالميكروويف هي طريقة تستعمِل الموجات الدقيقة لتسخين الحجم الكامل للسائل المتدفق أو المعلق أو شبه الصلب بالتساوي.

وفي السابق كان من الضروري معالجة المواد عند درجات حرارة عالية تزيد على 1400 درجة مئوية لمدة طويلة.

غير أن الدراسة الكورية أثبتت إمكان تكوين إلكتروليت مستقر عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية في 10 دقائق فقط عبر تسخين تلك المواد من الداخل في آن واحد باستعمال موجات الميكروويف.

وفي الطريقة المستعمَلة حاليًا، تختلط مادّتا السيريوم (CeO₂) والزركونيا (ZrO₂)-وهما مادّتان رئيستان لتصنيع البطاريات- في درجات حرارة عالية بشكل مفرط؛ ما يؤدي إلى ضعف جودة المواد.

ومع ذلك فإن التقنية الجديدة التي توصَّل إليها الباحثون في معهد كوريا المتقدم للعلوم والتكنولوجيا قد أنتجت طبقة إلكتروليت كثيفة خالية من العيوب، ولا يتخللها أيّ فجوات عبر السيطرة على درجات الحرارة؛ ما يساعد في زيادة تماسك مادتي السيريوم والزركونيا المذكورتين بقوة دون اختلاطهما ببعضهما.

كفاءة الوقت

على الرغم من أن عملية "التلبيد" التقليدية تستغرق قرابة 36.5 ساعة، فإن تقنية الميكروويف تلك قد أنجزت العملية في 70 دقيقة فقط؛ ما يُظهر سرعة تصنيع تزيد بنحو 30 مرة.

ويشير وقت المعالجة إلى إجمالي وقت التصنيع، بما في ذلك عمليات التسخين والصيانة والتبريد اللازمة لإنجاز تصنيع خلية وقود هيدروجينية واحدة.

ونتيجة لذلك أنتجت الخلية المصنَّعة حديثًا 23.7 مليلترًا من الهيدروجين في الدقيقة عند 750 درجة مئوية، وفق تقديرات رصدتها منصة الطاقة المتخصصة.

كما أظهرت خلية الوقود الهيدروجينية كفاءة أداء بالغة لأكثر من 250 ساعة، كما أظهرت متانة عالية.

"التوأم الرقمي"

عبر تقنية تحليل التوأم الرقمي ثلاثية الأبعاد، أثبت الباحثون أن عملية "التلبيد" باستعمال التسخين فائق السرعة قد عززت كفاءة إنتاج الهيدروجين عبر زيادة كثافة الإلكتروليت –وهو المادة الموجودة داخل الخلية- والسيطرة على النمو غير الطبيعي لجزئيات أكسيد النيكل داخل قطب الوقود.

والتوأم الرقمي يُقصَد بها عملية تمثيل افتراضي وديناميكي لشيء مادي في العالم الحقيقي.

وقال رئيس فريق البحث في "كيه إيه آي إس تي" البروفيسور كانغ- تايك لي: "هذا البحث يقدّم نموذج تصنيع جديدًا يمكّن من الإنتاج السريع الفاعل لخلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب عالي الأداء".

وأضاف: "مقارنةً بالتقنيات التقليدية، فإن تقنيتنا تقلل بشكل كبير استهلاك الطاقة ووقت الإنتاج؛ ما يتيح إمكانات قوية قابلة للتسويق التجاري".

موضوعات متعلقة..

• ثورة في إنتاج الهيدروجين بطريقة مبتكرة
• ثورة في إنتاج الهيدروجين بفضل اكتشاف شمسي
• إنتاج الهيدروجين بطريقة أعلى كفاءة مرة ونصف

اقرأ أيضًا..

• نتائج أعمال إكسون موبيل في الربع الثالث 2025.. الأرباح 7.5 مليار دولار (تحديث)
• رولز رويس تطور المفاعلات المعيارية الصغيرة بمولدات بخارية نووية
• سوق ناقلات النفط الخام العملاقة تشهد أقوى صعود لها خلال 5 سنوات (تقرير)

المصدر:
1.تطوير خلايا الوقود الهيدروجينية الخضراء، من دراسة منشورة في موقع "فيول سيلز وركس"