تركيب خلية استخلاص الهيدروجين من الماء لتشغيل السيارات او الحصول على كهرباء

أعمل خلية وقود الهيدروجين Build a hydrogen fuel cell

خلية الوقود هي أداة التي تحول وقود مثل الهيدروجين أو الكحول أو الكازولين  أو الميثان إلى كهرباء مباشرة.

خلية وقود هيدروجين تنتج الكهرباء بدون أي تلوث،  والناتج العرضي الوحيد هو الماء الصافي.

تستخدم خلايا وقود الهيدروجين في المركبات الفضائية والتطبيقات التقنية الأخرى كما بدا استخدامها في السيارات التجريبية مؤخرا, وتعتبر مصدر للطاقة النظيفة والكفؤة.

يمكن أن تصنيع خلية وقود هيدروجين في ببساطة ، وستعرف كم من الهيدروجين والأوكسجين يمكن أن تجمع لإنتاج طاقة كهربائية نظيفة.

لعمل خلية الوقود To make the fuel cell نحتاج المواد والمكونات التالية:

• قدم واحد من سلك نيكل مطلي بالبلاتين، أو سلك بلاتين صافي وحيث أن هذه المادة ليست بمتناول اليد، سنعتمد على سلك من نيكل مطلي بالبلاتين.
• عود مثلجات Popsicle stick أي عود من الخشب أو البلاستك.
• طرفي تثبيت  بطارية 9  فولط.
• بطارية 9 فولط.
• شريط لاصق شفاف.
• قدح ماء.
• جهاز فولتميتر Volt meter

الخطوة الأولى هي أن نقطع السلك المطلي بالبلاتين إلى قطعتين بطول ستة بوصة لكل منهما ويلفان على شكل ملف نابض حلزوني  الذين سيكونان قطبي كهرباء خلية الوقود, يمكن عمل الملف الحلزوني بلف السلك على مسمار ليكون الملف منتظم الشكل.

 

·        قطع طرفي سلكي تثبيت البطارية مناصفة وتعريتهما وذلك بتقشير المادة العازلة,  وتوصل نهايتي تثبيت البطارية بنهايتي الملفين الذين سبق وأن عملا, وكما مبين بالصورة التالية.

• تربط  الأقطاب الكهربائية التي سبق وأن عملت وبشكل آمن وثابت  إلى عود Popsicle , ويثبت عود popsicle بشكل آمن على زجاج قدح الماء بصورة يمكن بها غمر كامل طول القطبين تقريبا بالماء.
• ارتباطات الأسلاك مع الأقطاب الملتوية يجب أن تبقى بعيدة  عن الماء، بينما السلكيين المكسيان بالبلاتين (الأقطاب الكهربائية) تبقيا في الماء.
• يوصل السلك الأحمر إلى النقطة الطرفية الإيجابية للفولط  ميتر، والسلك الأسود إلى النقطة الطرفية السلبية للفولط ميتر.
• الفولط ميتر يجب أن يقرأ صفر فولط في هذه الحالة, بالرغم من أن كمية صغيرة جدا من الفولطية قد تظهر، مثل 0.01 فولط.

بهذا تكون خلية الوقود كاملة الآن.

لتشغيل خلية الوقود، نحتاج لتحفيز والتسبب في فقاعات الهيدروجين للتعلق على قطب كهربائي واحد، وفقاعات الأوكسجين للتعلق على القطب الآخر, وهناك طريقة بسيطة جدا لعمل هذا.

نمس الـبطارية الـ 9 فولت إلى طرفي تثبيت البطارية ( ليس هناك حاجة إلى أن نشبّكها، ونحتاج فقط لهذا المس لمدة ثانية أو ثانيتين فقط).

سيسبب لمس البطارية إلى نقطتي تثبيت البطارية بتحلل الماء Electrolysis في القطبين الكهربائيين إلى الهيدروجين والأوكسجين, و يمكن أن ترى شكل الفقاعات في القطبين الكهربائيين بينما البطارية متصلة وكما في الصورة التالية.

الآن نزيل البطارية.

إذا لم نكن نستعمل سلكيين مكسيين بالبلاتين، فستكون قراءة الفولط ميتر صفر, لأن البلاتين يعمل كمحفز catalyst, الشيء الذي يجعل الأمر أكثر سهولة على الهيدروجين والأوكسجين للإعادة توحيدهما  Recombine 

عكس رد فعل التحليل الكهربائي The electrolysis reaction reverses . بدلا من أن نضع كهرباء إلى الخلية لتحليل الماء فأن الهيدروجين والأوكسجين سيتحدان (يجتمعان) ويكونان ماء ثانية، وينتج عن ذلك كهرباء, وسنحصل بداية على أثر قليلا من الجهد الكهربائي بـ 2 فولط من خلية الوقود هذه, وكما في الصورة التالية.

بينما الفقاعات تتفرقع  The bubbles pop ، وتذوب في الماء، أو تستهلك بالتفاعل، فالفولطية تهبط (تسقط) بسرعة في بادئ الأمر ثم تتباطئ.

بعد دقيقة أو كذا، ستهبط الفولطية أكثر و أكثير ولكن ببطئ، لكون أغلب الهبوط الآن هو فقط بسبب الغازات التي تستهلك في التفاعل الذي ينتج الكهرباء.

أننا نخزن الطاقة من البطارية الـ 9 فولط كفقاعات للأوكسجين وللهيدروجين.

يمكن بدلا من ذلك ان نكون هيدروجين وأوكسجين من المصدر الآخر على الأقطاب الكهربائية، ونبقى نحصل على الكهرباء.

أو يمكن أن ننتج هيدروجين وأوكسجين أثناء اليوم من الطاقة الشمسية، ونخزن الغازين، ثم نستعملهما في خلية الوقود في الليل.

كما يمكن أن نخزن الغازين أيضا في حاويات ذات ضغط عالي في سيارة كهربائية، وتولد الكهرباء الذي تحتاجه السيارة من خلية الوقود.

كيفية عمل ذلك؟

عندنا شيئان مستمران في هذا المشروع:

-          التحليل الكهربائي للماء إلى غازي الأوكسجين والهيدروجين.

-          وإعادة توحيد الغازين لإنتاج الكهرباء.

سننظر في كل خطوة بصورة منفصلة.

وصل القطب الكهربائي إلى الجانب السلبي للبطارية فيها الالكترونات التي تدفعها البطارية, أربعة من الالكترونات في القطب الكهربائي ستندمج مع جزيئات ماء أربع, وستعطي كل من جزيئات الماء الأربع ذرّة هيدروجين، لتشكيل جزيئتان من الهيدروجين (H 2)، تترك أربعة أيونات سالبة لـ  OH- .

يطفح غاز هيدروجين على شكل فقاعات من القطب الكهربائي، وتهاجر بعيدا أيونات OH- Ions سالبة الشحنة عن القطب الكهربائي, في القطب الكهربائي الآخر، يسحب الجانب الإيجابي للبطارية الالكترونات من جزيئات الماء, جزيئات الماء تتحلل إلى ذرات الهيدروجين المشحونة إيجابيا (بروتونات وحيدة)، وجزيئات أوكسجين (O 2), تشكل جزيئات الأوكسجين الفقاعات في القطب الكهربائي، وتهاجر البروتونات بعيدا عن القطب الكهربائي المشحون إيجابيا, في النهاية تندمج البروتونات   OH- من القطب الكهربائي السلبي، وتشكل جزيئات الماء ثانية.

خلية الوقود  The Fuel Cell

عندما نزيل البطارية، يسبب العمل العامل المساعد للبلاتين توليد جزيئات الهيدروجين (H 2) ، تشكيل آيونات الهيدروجين إيجابيا (H +، أو بروتونات) والكترونات.

الالكترونات لا تعيد توحيدها بالبروتونات لأنها تكون مجذوبة إلى القطب الكهربائي، التي تشحن إيجابيا بسبب التفاعل الذي يحدث في القطب الكهربائي المعاكس.

في القطب الكهربائي الآخر، تسحب جزيئات الأوكسجين المتكون على سطح معدن البلاتين أيونات الهيدروجين مكونة الماء.

يفقد قطب الأوكسجين إلكترونين إلى كل جزيئه أوكسجين, يكسب قطب الهيدروجين إلكترونين من كل جزيئه هيدروجين, إن الالكترونات في قطب الهيدروجين تجذب إلى قطب الأوكسجين المشحون إيجابيا, تتحرك الالكترونات بسهولة أكثر في المعدن من الماء، لذا يسير التيار في السلك، بدلا من الماء. في السلك، فالتيار يمكن أن يؤدي شغلا مثل إضاءة مصباح أو تحريك مقياس.