خلايا الوقود واستهلاكها للهيدروجين

يعتبر غاز الهيدروجين Hydrogen أبسط المواد في الطبيعة وأخفّها. وتتألف ذرة الهيدروجين من إلكترون وحيد، يدور حول نواة فيها بروتون مفرد ونيوترون وحيد أيضاً. ويحمل الإلكترون إشارة كهرباء سلبية، وأما البروتون فإنه إيجابي في إشارته الكهربائية. ولا يحمل النيوترون إشارة كهرباء، فيعتبر «محايداً».
واكتشف غاز الهيدروجين، ورمزه كيماوياً «أتش 2» H2، الفرنسي أنطوان لافوازييه والانكليزي تشارلز كافندش. وتعرّفا إليه في وقت متقارب. ويتألّف الماء، في شكله الكيميائي المجرّد، من ذرتي هيدروجين متّحدتان مع ذرة أوكسيجين. ويشار إلى الماء كيماوياً برمز «أتش 2 أو»H2O . ولدى مرور التيار الكهربائي فيه، يتحلّل الماء إلى هيدروجين وأوكسيجين.
يُستَخرج الهيدروجين راهناً من الغاز الطبيعي. ويبلغ حجم تجارته العالمية ستمائة بليون متر مكعب سنوياً. ويستأثر قطاع الفضاء والصواريخ الباليستية بمعظم الإنتاج الحالي من الهيدروجين، إذ يستعمل سائلاً لدفع الصواريخ الضخمة. وتعطي كل 3 ليترات هيدروجين مقداراً من الطاقة يساوي ما يعطيه ليتر من البنزين.
وعلى سبيل المثال، فإن الإنتاج الحالي لدول «أوبك» يقارب 30 مليون برميل يومياً، وما يوازيها من الطاقة الهيدروجينية يقارب 90 مليون برميل يومياً.
يعطي كل ليتر ماء ربع ليتر من الهيدروجين. ويعني ذلك أن إنتاج «أوبك» من النفط يحتاج إلى قرابة 360 مليون برميل ماء يومياً.
يستخدم غاز الهيدروجين مصدراً للطاقة في الصناعة، كالحال في قوارير تلحيم المعادن بالحرارة، ويكون مضغوطاً بقوة 250 بار (يساوي البار قوة الضغط الجوي).
يستعمل الهيدروجين السائل، كما في الصواريخ والمركبات وبعض الطائرات، مصدراً مباشراً للطاقة، لكنه يستلزم وضعه في برودة 254 درجة مئوية تحت الصفر. وضع الأسس النظرية لخلايا الوقود Fuel Cells العالِم الألماني ويليام غروف (1811 - 1896).
يرتكز المبدأ الرئيسي لعمل خلايا الوقود على «قلب» عملية التحليل الكهربائي للماء إلى الاتجاه المعاكس. وبدلاً من قيام تيار الكهرباء بفصل الأوكسيجين عن الهيدروجين، يعمل غشاء خاص على التقاط بروتونات الهيدروجين (الهيدروجين المُكَهْرَب يتصرف كبروتون)، ويمزجها مع ذرات الاوكسيجين لتوليد الطاقة مع الماء. ويسمى الغشاء «بروتون إكستشنج ميمبرين» Proton Exchange Membrane وترجمته «غشاء تبادل البروتونات». وبمعنى آخر، تحوّل خلايا الوقود الهيدروجين إلى كهرباء وحرارة.
ومن المُستطاع تصنيف خلايا الوقود بحسب مصدر الهيدروجين الذي تستهلكه، إلى نوعين:
أ- خلايا تستعمل وقوداً مشبعاً بالهيدروجين، وخصوصاً الغازولين (من البترول) والميثانول (من الغاز الطبيعي).
ب- خلايا تستعمل الهيدروجين مباشرة، كأن يأتيها معبأً في قوارير «هايدرايد» Hydriade المتطورة، التي تصنع من مزيج من التيتانيوم والنحاس. ويعطي «غشاء تبادل البروتونات» خلايا الوقود القدرة على توليد كميات كبيرة من الكهرباء ولمدة طويلة.
ويتوقّع كثيرون من خبراء الطاقة انتشاراً سريعاً لخلايا الوقود، بحيث تصبح مصدراً أساسياً للكهرباء في المنازل والسيارات وحتى المصانع. وفي الآونة الأخيرة، أنتج خبراء النانوتكنولوجيا Nanotechnology خلايا وقود صغيرة الحجم، كي تعطي طاقة الكهرباء إلى الأجهزة الإلكترونية الشخصية مثل الخليوي والكومبيوتر المحمول.