خلايا الوقود الهيدروجينية المحمية بالجرافين تعزز كفاءة الشاحنات

مع اقتراب العالم من تحقيق أهداف الاستدامة، تم إيلاء الكثير من الاهتمام لمصادر الطاقة البديلة. بالنسبة لمعظم الناس، تُعتبر السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات مستقبل النقل، لكن هذه التقنية لن تكون كافية لصناعة الشاحنات بسبب المتطلبات الإضافية والمسافات الطويلة. إليكم كيف أن فريقًا من المهندسين أنشأ خلية وقود ثقيلة الوزن يمكن أن تساعد في تقليل انبعاثات المركبات الثقيلة وتفتح الطريق لطرق أنظف.

كيف تعمل خلايا الوقود الهيدروجينية

شهدت خلايا الوقود الهيدروجينية الكثير من الضجيج خلال العقد الماضي. تعمل عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة من الهيدروجين إلى كهرباء لتشغيل سيارتك أو الأجهزة الأخرى. تُعد خلايا الوقود مثالية لبعض السيناريوهات لأنها يمكن تعبئتها في نفس الوقت الذي تستغرقه محركات البنزين العادية، مقارنةً بالوقت اللازم لشحن البطارية.

التحديات التي تبطئ اعتماد خلايا الوقود

هناك بعض المشكلات في خلايا الوقود التي حدّت من اعتمادها. أولاً، العملية بطيئة وتتطلب محفزًا لتكون صالحة للاستخدام في المركبات. بالإضافة إلى ذلك، فإنها مكلفة في التصنيع وتحتاج إلى استثمار هائل في البنية التحتية.
هناك أيضًا مخاوف بشأن كثافة التخزين المحدودة وتدهور توصيل الطاقة بعد الاستخدام المكثف. ينتج فقدان الطاقة هذا عن استخدام محفزات سبيكة البلاتين. هذه الأجهزة تحسن الأداء، لكنها معروفة بتسربها للمواد الكيميائية مع مرور الوقت، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء.

لماذا البطاريات لا تلبي احتياجات النقل الثقيل

قد تم استبدال خلايا الوقود الهيدروجينية المخصصة للسيارات اليومية ببطاريات أفضل في معظم سيارات الطاقة الكهربائية اليوم، لكن لا يمكن قول ذلك عن الشاحنات نصف الكبيرة، ومركبات النقل الثقيلة، وغيرها من المعدات الثقيلة. الأسباب بسيطة. أولاً، يسافر السائقون مسافات هائلة ويحملون أحمالًا ثقيلة، مما يتطلب طاقة أكبر بكثير مما يمكن للبطارية المتوسطة توفيره دون إعادة الشحن.
في حين أن هذا القطاع من سوق السيارات يمثل حوالي 5٪ فقط من إجمالي السيارات على الطرق، إلا أنه لا يزال مسؤولًا عن غالبية التلوث. وبالتالي، يجب على المهندسين إيجاد طريقة لتلبية حاجة هذه المركبات إلى طاقة أكبر.

خلايا الوقود المتقدمة اليوم

فتحت التطورات الأخيرة في قطاع خلايا الوقود الباب أمام الابتكار. خلايا الوقود ذات الغشاء البروتوني (PEMFCs)، المعروفة أيضًا باسم خلايا الوقود ذات الغشاء البوليمري، هي أحد هذه التحسينات التي ساعدت في جعل خلايا الوقود الهيدروجينية خيارًا أكثر جاذبية لاحتياجات المعدات الثقيلة. ومع ذلك، لا تزال هذه الخلايا تعاني من التسرب ومشكلات أخرى عانت منها سابقتها.

اختراق في تكنولوجيا خلايا الوقود الهيدروجينية

مع إدراكهم لحدودهم، تعاون فريق من المهندسين من جامعة توهوكو (اليابان) وجامعة كاليفورنيا في إرفاين لتقديم طريقة جديدة لإنشاء خلايا وقود ذات غشاء تبادل البروتون، معالجة التحديين المزدوجين للنشاط التحفيزي والمتانة. تم توثيق عمليتهم ومشاركتها في الدراسة¹, محفز البلاتين المحمي بجيوب نانوية من الجرافين يتيح أعمارًا تزيد عن 200,000 h لتطبيقات خلايا الوقود الثقيلة, التي نُشرت في مجلة Nature Nanotechnology.
تدمج المقاربة الجديدة بنية محفز مصممة خصيصًا ذات صلابة فائقة، صُممت لمنع تسرب عناصر السبيكة. يمكن للهيكل الجديد لـ PEMFC أن يوفر كفاءة قصوى تبلغ 71.9٪ مقارنةً بسابقتها، مما يجعله التصميم الأكثر قدرة حتى الآن.

كيف يعمل تصميم محفز خلية الوقود الجديد

أدرك المهندسون أنهم بحاجة إلى إنشاء حاجز يمنع تسرب مواد السبيكة مع مرور الوقت. لتحقيق ذلك، أعاد الفريق تصميم المحفز من الصفر، مستفيدين من تقنية النانو لتحقيق تحسينات دقيقة.

جسيمات البلاتين النانوية تعزز أداء المحفز

بدأت العملية مع قيام المهندسين بدمج جسيمات البلاتين النانوية فائقة الدقة داخل طبقة حماية من الجرافين. تُعد جسيمات البلاتين النانوية مثالية لأنها تتيح للمهندسين ضمان تغطية المحفز بشكل متساوٍ. بالإضافة إلى ذلك، تحسن العملية التحفيزية من خلال ضمان التفاعلات على المستوى النانوي.

جيوب نانوية من الجرافين: حماية وتعزيز خلايا الوقود

تستفيد طبقة الحماية من الجرافين من طبقة ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون. تُرتب في شبكة خلية النحل ثم تُدمج في دعائم الكربون. ومن الجدير بالذكر أن الجرافين هو أرق مادة معروفة للإنسان. وبالتالي، يمكن تطبيقه كطبقة واحدة من الذرات داخل مادة الكربون المسحوقة.

المصدر – Huang Research Group – UCLA

Ketjenblack: مادة الدعم الكربونية المثالية

تم اختيار Ketjenblack كمادة الدعم الكربونية المثالية. توفر بنية مسامية يمكن للبلاتين الالتصاق بها على المستوى النانوي. يتيح هذا التصميم للدعم الكربوني تعزيز استقرار المحفزات على المدى الطويل، مع الحفاظ على الأداء مع مرور الوقت.

اختبار الجيل التالي من خلايا الوقود الثقيلة

أجرى المهندسون عدة تجارب واختبارات لضمان أن تصميم خلية الوقود الجديد آمن ويوفر الأداء المتوقع. شملت هذه الاختبارات مراقبة خرج الطاقة، دورات الحياة، الملوثات، ومقاييس محددة أخرى.

عمر خلية الوقود: 200,000 ساعة وما زال يتزايد

بعد إجراء عدة اختبارات لعمر الجهاز، سجل المهندسون نتائج مذهلة. أولاً، يستطيع تصميم المحفز الجديد العمل لمدة 200,000 ساعة تشغيل، متجاوزًا سجلات خلايا الوقود السابقة. كما لاحظوا أن المحفز ظل نشطًا حتى في الظروف القاسية والبيئات القاسية.

شرح نتائج خرج الطاقة واختبار الضغط

فيما يتعلق بخرج الطاقة، قدمت خلايا الوقود المُحسّنة 1.08 وات لكل سنتيمتر مربع. يضع هذا الاكتشاف النظام الجديد على قدم المساواة مع بطاريات اليوم المتقدمة. ومع ذلك، يجب الإشارة إلى أن خلايا الوقود أخف بـ 8 مرات من خيارات البطاريات ذات الأداء المماثل.
شمل اختبار الضغط للخلية الجديدة تشغيل الوحدات عبر دورات طاقة. على وجه التحديد، أجرى الفريق 90,000 دورة جهد على شكل موجة مربعة على جهازهم. حاكى هذا الإجراء سنوات من القيادة الواقعية. ولاحظ المهندسون فقدانًا في الطاقة بنسبة 1٪ فقط. بشكل مثير للإعجاب، تُظهر هذه الإحصاءات تحسينًا كبيرًا مقارنةً بمعايير البطاريات، حيث يُعتبر فقدان 10٪ تحت نفس الاستخدام ممتازًا.

نتائج خلايا الوقود الثقيلة

سلطت نتائج الاختبار الضوء على قدرات خلايا الوقود المحسّنة. على وجه التحديد، سجل الفريق عمرًا مثيرًا للإعجاب يبلغ 200,000 ساعة وكفاءة قصوى عالية تبلغ 71.9٪ للوحدة. كما شهدت الخلايا فقدانًا طاقة أدنى أقل من 1.1٪ بعد إكمال عدة اختبارات دورية.
لاحظ الفريق أن تجميع الغشاء الكهربائي المصنوع من هذه المحفزات النانوية قدم توصيل طاقة طويل الأمد. بالإضافة إلى ذلك، كان أكثر متانة بكثير من تصاميم خلايا الوقود السابقة التي قد تتعرض لتلف المحفز مع مرور الوقت والاستخدام.

الفوائد العملية لخلايا الوقود الهيدروجينية الثقيلة

هناك العديد من الفوائد التي تجلبها خلايا الوقود الثقيلة إلى السوق. أولاً، يمكن أن تساعد في دفع اعتماد واسع لتقنية خلايا الوقود في مركبات الشحن والبناء. هذه الوحدات خيار أفضل من البطاريات في هذه السيناريوهات لأنها يمكن أن توفر طاقة موثوقة ومستقرة لهذه الآلات دون الحاجة إلى الشحن لساعات أو إضافة وزن إضافي.

خلايا الوقود الهيدروجينية مقابل البطاريات: أيهما أفضل للشاحنات؟

تكون خلايا الوقود أخف وزنًا بشكل كبير من البطاريات. يمكن استبدالها في دقائق ويمكن إعادة استخدامها عدة مرات قبل أن تصبح غير صالحة. عند مناقشة نقل أطنان من البضائع لمسافات آلاف الأميال، فإن إضافة مئات الأرطال من الوزن الإضافي على شكل بطاريات يكون عكسًا للمنفعة. وبالتالي، تُعد خلايا الوقود الهيدروجينية بديلًا أفضل يمكنه تقديم الاستدامة إلى جانب الأداء.
توفر خلايا الوقود الثقيلة تحسينًا هائلًا على أفضل الخيارات الحالية. بشكل مثير للإعجاب، تمكن المهندسون من تحقيق سبعة أضعاف هدف وزارة الطاقة الأمريكية البالغ 30 ألف ساعة لعام 2050. تقدم هذه الأجهزة أكثر من 200 ألف ساعة ولا تزال تحتفظ بالكفاءة والأداء.

المزايا الاقتصادية والبنية التحتية للوقود الهيدروجيني

هناك مزايا مالية للتحول إلى خلايا الوقود الهيدروجينية للآلات الثقيلة. أولاً، يعتقد الكثيرون أن بناء بنية تحتية وطنية لتعبئة الهيدروجين سيكون أقل تكلفة بكثير من بناء شبكة شاحنات كهربائية. إذا كان ذلك صحيحًا، فسيتم استرداد هذا الاستثمار بسرعة أكبر نظرًا لأن عمر الخدمة الطويل للوحدة يمكن أن يحسن العوائد.

طاقة مستدامة دون تنازل

أفضل سبب لدعم خلايا الوقود الثقيلة هو أنها توفر وسيلة لتحقيق نقل أنظف. تُطلق هذه الخلايا الوقود فقط الماء كناتج ثانوي، مما يعني أنها صديقة للبيئة وأكثر أمانًا من بطاريات الليثيوم أيون التي تظل في الأخبار بسبب انفجارها نتيجة الانفجار الحراري. وبالتالي، توفر خلايا الوقود الثقيلة خيارًا آخر للشركات التي تسعى لتقليل انبعاثاتها وتحسين كفاءة الوقود.

التطبيقات وحالات الاستخدام المستقبلية لخلايا الوقود الثقيلة

هناك عدة تطبيقات لخلايا الوقود الثقيلة. توفر هذه الوحدات دورة حياة غير مسبوقة وأداءً إضافيًا، مما يجعلها بديلًا ذكيًا للمعدات الثقيلة. من تشغيل شاحنات نصف الكبيرة التي تنقل البضائع إلى الجرارات التي تبني المنازل، ستكون خلية الوقود الثقيلة محركًا للتغيير. إليكم بعض التطبيقات الأخرى لهذه الوحدات.

اللوجستيات

كل ما تشتريه يسافر آلاف الأميال قبل أن يصل إلى رفوف المتاجر المحلية. تُعد اللوجستيات العالمية شبكة ضخمة مصممة لنقل ملايين المنتجات عبر العالم. سيساهم استخدام خيارات مستدامة مثل خلية الوقود الثقيلة في تقليل التلوث بشكل كبير، حيث تُعد الشاحنات والآلات الثقيلة مسؤولة عن نفس كمية الملوثات التي تنتجها الـ 95٪ المتبقية من المركبات على الطريق.

تزويد المنازل بالطاقة

هذه التقنية ليست محصورة في سيارتك. قد تشهد المنازل في المستقبل تركيب مولدات خلايا وقود هيدروجينية عالية الجودة للمساعدة في مكافحة اضطرابات الكهرباء. ستوفر هذه الأنظمة طاقة لتكمل عندما لا تعمل الأنظمة الأخرى. على سبيل المثال، تخيل عاصفة ثلجية تمنعك من استخدام الألواح الشمسية. خلال هذه الفترات، قد يكون مولد خلية الوقود هو الخيار الأفضل. إنه نظيف، أهدأ من المولدات الغازية، سريع التعبئة، ومتاح بأسعار معقولة.

الجدول الزمني لتبني خلايا الوقود الثقيلة تجاريًا

إذا توافقت جميع العوامل، فمن المعقول توقع وصول خلية الوقود الثقيلة إلى السوق خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة. بدأ المهندسون بالفعل في البحث عن شراكات صناعية لإطلاق المنتج في السوق. تمثل هذه السباق لتوفير خلايا الوقود الجديدة للجمهور الرغبة العامة في دفع بدائل الطاقة الخضراء وتحقيق أهداف صافي الصفر الكربوني العالمية التي وضعتها المجتمع الدولي.

باحثو خلايا الوقود الثقيلة

استضاف دراسة خلية الوقود الثقيلة باحثون من جامعة توهوكو (اليابان) وجامعة كاليفورنيا في إرفاين. تُدرج الورقة المؤلفين الرئيسيين كخريجي دكتوراه من جامعة UCLA زيان ليو وبوسي بنغ. تلقى هذان الدعم الإضافي من مينغجي شيو، وينجي زانغ، شينغشو يان، ولي شينغ من جامعة إرفاين. يبني هذا العمل على جهود الفريق السابقة لإنشاء خلايا وقود عالية الأداء تستفيد من مواد فريدة لتحسين النتائج.

الخطوات التالية: براءات الاختراع والشراكات الصناعية

ومن الجدير بالذكر أنه تم تقديم براءة اختراع على التقنية ويسعى لتوسيع أبحاثه لتحسين العملية أكثر. سيسمح هذا الإجراء للفريق بالتعاون مع كبار مصنعي خلايا الوقود الهيدروجينية اليوم وتحسين تصميمهم بشكل أكبر.

الاستثمار في إنتاج الهيدروجين

يهيمن على سوق خلايا الوقود الهيدروجينية عدد قليل من اللاعبين المعروفين. أنفقت هذه الشركات ملايين الدولارات في البحث عن طرق لتحسين أداء خلايا الوقود وتحسين العوائد. إليكم شركة واحدة نجحت في حجز مكانة في سوق خلايا الوقود.

Linde

دخلت شركة Linde (LIN ) السوق في عام 1879. هذه الشركة الغازية التي تتخذ من إيرلندا مقرًا لها نمت لتصبح واحدة من أبرز المزودين على مستوى العالم. اليوم، تقدم الشركة منتجات عبر صناعات متعددة، بما في ذلك الكيماويات، والتصنيع، والرعاية الصحية، وصناعة الصلب. كواحدة من أكبر شركات الغازات الصناعية في العالم، تمتلك Linde الآن عملياتًا في أكثر من 100 دولة.

توفر Linde خدمات الإنتاج والمعالجة لعملائها. بالإضافة إلى ذلك، تظل الشركة قوة رائدة من خلال تقديم عدة تطورات رائدة في مجال الوقود الهيدروجيني. ساعدت هذه العوامل الشركة على تأمين شراكات استراتيجية. مؤخرًا، وقعت Linde اتفاقية توريد بقيمة 2 مليار دولار مع مشروع Path2Zero الكندي المقام في فورت ساسكاتشوان، ألبرتا.

ساعدت هذه العوامل LIN على أن تصبح سهمًا راسخًا شهد نموًا كبيرًا. لم تُظهر الشركة أي علامات على التباطؤ وتملك الآن أكثر من 500 مصنع لإنتاج الهيدروجين قيد التشغيل. وبالتالي، تفوق سهم الشركة على منافسيه في الصناعة. أولئك الذين يبحثون عن سهم وقود هيدروجيني راسخ وموثوق سيجدون أن Linde تستحق مزيدًا من البحث.

آخر أخبار Linde

خلايا الوقود للشاحنات: القيادة نحو مستقبل أنظف

قد يصبح استخدام خلايا الوقود الثقيلة شائعًا خلال العقد القادم. مع زيادة عدد الشاحنات على الطرق لتلبية احتياجات التجارة الإلكترونية المتنامية، يواصل الناس البحث عن طرق لتقليل تأثيرهم البيئي. بينما سعت بعض الشركات مثل TESLA إلى إنشاء شاحنات كهربائية، يقدم نهج فريقنا المُحسّن للخلية الوقودية كلًا من الأداء والاستدامة. وبالتالي، من السهل تخيل أسطول من المركبات التي تعمل بخلايا الوقود يمر على الطرق، يترك ماءً على طول رحلتها لتسليم بضائعك.

تعرف على مشاريع الاستدامة الأخرى هنا.

الدراسات المرجعية:

^{1. Liu, Z., Peng, B., Xu, M., Zang, W., Yan, X., Xing, L., … & Huang, Y. (2025). محفز البلاتين المحمي بجيوب نانوية من الجرافين يتيح أعمارًا تزيد عن 200,000 h لتطبيقات خلايا الوقود الثقيلة. Nature Nanotechnology. https://doi.org/10.1038/s41565-025-01895-3}