خلية الهيدروجين هي جهاز يستخدم لإنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي للماء. اعتمادًا على الإلكتروليت، يمكن تقسيم الخلايا الإلكتروليتية إلى عدة أنواع رئيسية، بما في ذلك الخلايا الإلكتروليتية القلوية، والخلايا الإلكتروليتية بغشاء تبادل البروتون (PEM)، والخلايا الإلكتروليتية للأكسيد الصلب (SOEC). وفيما يلي وصف تفصيلي للأنواع الرئيسية:
1. المحلل الكهربائي القلوي
مبدأ العمل
بالكهرباء:عادةً ما يتم استخدام محلول هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) أو هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) كإلكتروليت.
رد فعل الأنود:عند الأنود، تتأكسد جزيئات الماء إلى أكسجين وبروتونات وإلكترونات: 4OH−→2H2O+O2+4e−
رد فعل الكاثود:عند الكاثود، تتفاعل جزيئات الماء مع الإلكترونات لتكوين أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد: 2H2O+2e−→H2+2أوه−
مزايا
التكنولوجيا الناضجة:التكنولوجيا الناضجة، المستخدمة على نطاق واسع، لديها سنوات عديدة من الخبرة في التطبيقات الصناعية.
تكلفة منخفضة:تكاليف المعدات والصيانة منخفضة نسبيا.
2. المحلل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون (PEM).
مبدأ العمل
بالكهرباء:استخدم غشاء تبادل البروتون (مثل نافيون) كالكهارل.
رد فعل الأنود:عند الأنود، تتأكسد جزيئات الماء إلى أكسجين وبروتونات وإلكترونات: 2H2O→O2+4H++4e−
رد فعل الكاثود:عند الكاثود، تمر البروتونات عبر الغشاء وتتحد مع الإلكترونات لتكوين غاز الهيدروجين: 4H++4e−→2H2
مزايا
كفاءة عالية:كفاءة أعلى من المحلل الكهربائي القلوي.
ردفعل سريع:يمكن أن يبدأ ويتوقف بسرعة، ومناسب للدمج مع الطاقة المتجددة المتقطعة.
تصميم مضغوط:الجهاز أكثر إحكاما للتطبيقات الصغيرة والموزعة.
سلبيات
التكلفة العالية:ارتفاع تكلفة الأغشية والمحفزات (عادة البلاتين أو الإيريديوم).
متطلبات جودة المياه العالية:مطلوب مياه عالية النقاء لتجنب تلوث الغشاء.
3. المُحلل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOEC)
مبدأ العمل
بالكهرباء:استخدم الأكاسيد الصلبة (مثل الزركونيا المستقرة بأكسيد الإيتريوم، YSZ) ككهارل.
رد فعل الأنود:عند الأنود، تتأكسد أيونات الأكسجين لتكوين الأكسجين والإلكترونات: O2−→O2+4e−
رد فعل الكاثود:عند الكاثود، تتفاعل جزيئات الماء مع الإلكترونات لتكوين أيونات الهيدروجين والأكسجين: 2H2O+4e−→2H2+2O2−
مزايا
كفاءة عالية:أقصى قدر من الكفاءة النظرية، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة (عادة 700-1000 درجة).
الرجوع إلى الوراء:يمكن التبديل بين أوضاع التحليل الكهربائي وخلايا الوقود لتخزين الطاقة.
سلبيات
عملية درجة حرارة عالية:يتطلب التشغيل بدرجة حرارة عالية، مع متطلبات عالية لتصميم المواد والنظام.
التكنولوجيا ليست ناضجة:وهو لا يزال في مرحلة البحث والتطوير والإظهار، ولم يتم تسويقه تجاريًا على نطاق واسع بعد.
مجال التطبيق
1. إنتاج الهيدروجين الصناعي: يستخدم على نطاق واسع في الطلب على الهيدروجين في الصناعات الكيميائية وتكرير النفط والأسمدة وغيرها من الصناعات.
2. تخزين الطاقة: تحويل مصادر الطاقة المتجددة (مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح) إلى مخزن للهيدروجين لموازنة أحمال الشبكة.
3. النقل: البنية التحتية لإمداد الهيدروجين لمركبات خلايا الوقود الهيدروجينية (FCEVs).
رؤية المستقبل
ومع التقدم التكنولوجي وخفض التكاليف، ستلعب تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين دورا متزايد الأهمية في تعزيز تطوير الطاقة النظيفة والحد من انبعاثات الكربون. ويعمل الباحثون والشركات على تحسين كفاءة المحللات الكهربائية وخفض التكاليف وتطوير مواد أكثر متانة وكفاءة لتعزيز تطوير هذا المجال.
