محللات الهيدروجين:الهيدروجين يُعتبر أحد العناصر الأساسية والموجودة في الطبيعة، ويُستخدم في العديد من التطبيقات الهامة مثل وسائل النقل والصناعة وغيرها. ومع ذلك، فإنه لا يوجد بشكل مستقل على نطاق واسع في الطبيعة، بل هو مرتبط بعناصر أخرى.
تمكن علماء وخبراء من إنتاج الهيدروجين بواسطة عملية تحليل كهربائي لجزيئات الماء. تتم هذه العملية بشكل ثابت وموحد من خلال تفصيل الجزيئات إلى الأوكسجين والهيدروجين. ومع ذلك، هناك تنوع في أساليب الموزانة للخلايا خلال هذه العملية، مما أدى إلى تعدد طرق تحليل الماء بالكهرباء. سنتعرف في هذا المقال على هذه الطرق ومزايا وعيوب كل واحدة منها.
1. تقنية «E-TAC» هي تقنية تحليل الهيدروجين.
محلل الهيدروجين “الكهروميكانيكي والكيميائي المفعل بالحرارة” هو نوع جديد من المحللات ينتج الهيدروجين والأكسجين بشكل منفصل وفي مراحل مستقلة. في المرحلة الأولى، والتي تسمى “المرحلة الكهروكيميائية”، يتم إنتاج الهيدروجين عند المهبط ويتم شحن المصعد. ثم في المرحلة الثانية، والتي تعرف بـ “المرحلة الكيميائية المفعلة بالحرارة”، يتم تفريغ شحنة المصعد وإنتاج الأكسجين عنده. تتيح هذه الطريقة إلغاء احتمالية الاختلاط بين الأكسجين والهيدروجين، مما يساهم في إلغاء الحاجة إلى وجود حاجز بين المصعد والمهبط.
المزايا:
- تكلفة المواد وتجميعها منخفضة.
- تتحمل مرشحاتنا العالية للشوائب مزيجًا من المياه الملوثة، ويمكن استخدامها مع مياه الصنبور أو مياه البحر بدون الحاجة إلى معالجتها مسبقاً.
- كفاءة التحويل عالية جدًا تصل إلى ٩٨.٧٪ (HHV) بالمقارنة مع الكفاءة البالغة حوالي ٧٥٪ (HHV) للمحللات الكهربائية التقليدية، وهذا يعني أنها تستهلك كمية أقل من الطاقة.
تعني المقدار المئوي لتجويف حراري مرتفع إلى الحرارة الحرارية التي يستخدمها - في حالة تشغيل الأحمال الجزئية، يمكن للمعدات ضبط إنتاجها وفقًا للاحتياجات وتوافر الكهرباء.
- الكفاءة العالية لفاراداي تعني أن نسبة الهيدروجين الفعلي المنتج إلى الهيدروجين النظري هي عالية.
2. “محلل الهيدروجين بوجود غشاء تبادل الأنيون – AEM”
تستخدم الغشاء المبادل للأنيونات من غشاء تنقية الهيدروجين بغشاء شبه نافذ مصمم بشكل خاص لنقل الأنيونات (الأيونات ذات الشحنة السالبة مثل الهيدروكسيد OH⁻). عند تمرير الماء من المصعد إلى المهبط من خلال هذا الغشاء، يتم تكثيف الهيدروجين عند المهبط وإطلاقه من خلال طبقة تفريغ الغاز، ويتم إرجاع الهيدروكسيد من خلال الغشاء إلى المصعد حيث يتم استخلاص الأكسجين من طبقة تفريغ السائل والغاز.
المزايا:
- التكلفة أقل من محللات الهيدروجين التي تعتمد على غشاء تبادل البروتون “PEM”، حيث يتم استخدام مواد ومحفزات بأسعار أقل.
- وبسبب أداءها الأفضل، تكون فعالية مشغلات تبادل البروتون في حماية نفسها من التآكل والتدهور بنسبة أقل مقارنةً بمشغلات الهيدروجين عبر الغشاء.
- يتمتع غشاء تبادل البروتون في محللات الهيدروجين بأقل حساسية تجاه الشوائب، حيث يمكن لهذا الغشاء تحمل مستويات أعلى من ثاني أكسيد الكربون وأي شوائب أخرى موجودة في الماء.
العيوب:
- فعالية تحويل الطاقة في هذه الأسلوب أقل من فعالية “PEM”.
- الهيدروجين الذي يتم إنتاجه وهو أقل نقاءً بالمقارنة مع الهيدروجين الغشائي المتحد الموصل « PEM».
- وقت استجابة أقل بسبب تغير مدخلات الطاقة.
3. “محلل التبادل الهيدروجيني بغشاء البروتون – PEM”
تعتمد محللات الهيدروجين التي تحتوي على غشاء تبادل البروتون على غشاء بوليمر صلب يمكنه تمكين انتقال البروتونات. يعمل هذا الغشاء على فصل غرفة المصعد عن غرفة المهبط. عند تطبيق جهد تيار مستمر على المحلل، يتم أكسدة الماء إلى أكسجين وبروتونات. يتم تجميع البروتونات (H+) في غرفة المهبط ثم تلتقي مع الإلكترونات هناك، مما يؤدي إلى إنتاج الهيدروجين.
المزايا:
- تُتيح هذه النُظُم استجابة فورية، حيث يمكن أن تُشغَّل وتُغْلَق بسرعة وتتكيف مع مصادر الطاقة المتقلبة مثل الطاقة المتجددة.
- تتميز بكفاءة عالية، حيث تعمل بتيار عالٍ وجهد منخفض، وتحتوي على أدنى فقدان نتيجة للمقاومة وإنتاج الحرارة.
- تنتج هيدروجين عالي النقاء.
العيوب:
- ترتفع التكاليف نظرًا لاستخدام مواد غالية مثل المحفزات البلاتينية.
- الحساسية ضد الشوائب الموجودة في الماء.
- متانة النظام قد تكون محدودة بسبب إمكانية تدهوره بسبب الإلكتروليت.
4. «خلية تحليل الهيدروجين بالتغذية الشعرية – CFE»
تُستخدم هذه الطريقة تصميمًا بسيطًا ومبتكرًا للتقليل من تكلفة وتعقيد عملية تحليل الماء، حيث تعتمد الفكرة الأساسية في هذه الطريقة على خاصية التغذية الشعرية والتي تعني انتقال السائل من الأسفل إلى الأعلى. وببساطة، يُكوّن هذا الجهاز من مصعد ومهبط ويحتوي على فاصل شعري بينهما، ويوجد خزان في الأسفل. تُساعد خاصية التغذية الشعرية وعملية الضخ المستمرة لمادة الكهرليت في رفع الماء والكهرليت من أسفل الخزان إلى الأعلى، وعند مرورها بالفاصل الشعري يتم فصل جزيئات الماء وينتقل الهيدروجين إلى المهبط والأكسجين إلى المصعد.
المزايا:
- تعتبر تكلفة رأس المال والتشغيل منخفضة نظرًا لعدم الحاجة إلى مضخات أو صمامات أو أجهزة استشعار أو تحكمات.
- كفاءة طاقة عالية يمكن أن تصل إلى 98%.
5. “محلل الهيدروجين القلوي – AEL”
تستخدم محاليل القلوي الهيدروجينية مثل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) مذيباً قلوياً، حيث يتم غمر أقطاب المصعد والمهبط في هذا المحلول بوجود غشاء مسامي يفصل بينهما، ومع تطبيق جهد خارجي، تتحرك جزيئات الأكسجين باتجاه المصعد وجزيئات الهيدروجين الموجبة باتجاه المهبط على شكل فقاعات. يعمل استخدام هذه المحاليل القلوية على تعزيز وتعزيز عملية تفكك الجزيئات.
المزايا:
- طول العمر وحاجة منخفضة للصيانة.
- يتميز بتكاليف تشغيل منخفضة حيث يتم استخدام مواد ومحفزات ذات تكلفة منخفضة.
- أقل حساسية للشوائب.
6. خلايا SOEC هي خلايا تحليل الهيدروجين بغشاء مصنوع من أكسيد صلب.
تعتبر خلية تحليل الهيدروجين بغشاء أكسيد صلب من أجهزة تحليل الهيدروجين المتقدمة والتي تعمل على استخلاص غاز الهيدروجين باستخدام غشاء سيراميكي. يقوم هذا الغشاء بالفصل بين المصعد والمهبط، حيث يقوم بتحليل الماء المسخن وتحويله إلى بخار يتكون من أوكسجين وهيدروجين. تتم تمرير جزيئات الأوكسجين عبر الغشاء السيراميكي وتتحد مرة أخرى بعد ذلك، بينما يتم الاحتفاظ بالهيدروجين داخل الغشاء ويتم جمعه كهيدروجين نقي.
المزايا:
- كفاءة عالية يمكن أن تصل إلى 90% أو 100%
- قابلية التوسع
- المرونة العالية تسهل التعامل مع تقلبات إنتاج مصادر الطاقة المتجددة، حيث يتم تحقيق زيادة في إنتاج الطاقة تصل إلى 10% في الدقيقة.
- إن إمكانية العكس تتمثل في القدرة على استخدام هذا الأسلوب لإنتاج الهيدروجين عندما يتوافر الطاقة، أو يمكن إنتاج الطاقة من خلال عكس عملية إنتاج الطاقة.
في نهاية المطاف، إن فكرة إنتاج الهيدروجين هي واحدة وتتم عن طريق فصل جزيئات الماء إلى الأكسجين والهيدروجين. ونظرًا لأن هذه العملية تتطلب كمية كبيرة من الطاقة، فقد أصبح من الممكن الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة لإنتاجه. لقد تمت مراجعة طرق إنتاج الهيدروجين باستخدام المحللات حيث يُمكن للشركات اختيار نوع المحلل الذي يتناسب مع احتياجاتهم ومتطلباتهم لإنتاج الهيدروجين بطريقة فعالة وصديقة للبيئة.
في المستقبل، من المحتمل أن تشهد هذه التقنيات تطوراً مستمراً، وقد يتم تقديم المزيد من الاختراعات لتحسين إنتاج الهيدروجين وتخفيض تكلفته.
