عرض مصدر خلية وقود غشاء تبادل البروتون

[[ملف:PEM electrolyzer.jpg|تصغير|مصفوفة من خلايا وقود غشاء تبادل البروتون  .]]

[[ملف:Diagram of PEM Fuel CEll (Arabic).png|تصغير|مخطط خلية وقود غشاء تبادل البروتون]]

'''خلية وقود غشاء تبادل البروتون''' {{إنج|Proton exchange membrane fuel cell}} اختصاراً PEMFC، وتعرف أيضاً باسم '''غشاء تبادل البروتونات''' PEM هي نوع من أنواع [[خلية وقود|خلايا الوقود]] التي تم تطويرها من أجل تطبيقات النقل ومن أجل تطبيقات الخلايا المحمولة.<ref>{{استشهاد بدورية محكمة|مؤلف=V. R. Stamenkovic, B. Fowler, B. S. Mun, G. Wang, P. N. Ross, C. A. Lucas, N. M. Marković. Activity on Pt<sub>3</sub>Ni(111) via increased surface site availability|صحيفة=Science|المجلد=315|سنة=2007|صفحات=493–497|doi=10.1126/science.1135941|عنوان=Improved Oxygen Reduction Activity on Pt3Ni(111) via Increased Surface Site Availability|pmid=17218494|العدد=5811}}</ref><ref>{{استشهاد بدورية محكمة | الأخير1 = Wainright | الأول1 = J. S. | سنة = 1995 | عنوان = Acid-Doped Polybenzimidazoles: A New Polymer Electrolyte | مسار = | صحيفة = Journal of The Electrochemical Society | المجلد = 142 | العدد = 7| صفحة = L121 | doi=10.1149/1.2044337}}</ref><ref>[http://www.hydrogen.energy.gov/program_plans.html Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program Multi-Year Research, Development and Demonstration Plan], U.S. Department of Energy, October 2007. {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150924032115/http://www.hydrogen.energy.gov/program_plans.html |date=24 سبتمبر 2015}}</ref> من أهم مميزات هذه الخلايا هي أنها تعمل تحت درجات حرارة منخفضة نسبياً (50 – 100 [[درجة مئوية]]) وتحوي [[غشاء]] و [[كهرل]] [[مبلمر|لدن]] خاص.

تستخدم هذه الخلية في العديد من التطبيقات، خاصة في السيارات و[[هاتف محمول|الهواتف المحمولة]] بسبب صغر حجمها.
== عمل الخلية ==
=== التفاعل ===
[[ملف:PEM Fuel Cell (Arabic).png|تصغير|شكل تخطيطي لتصميم خلية وقود غشاء تبادل البروتون]]
{{مفصلة|خلية وقود}}
تحول خلية الطاقة ذات غشاء تبادل البروتونات [[طاقة|الطاقة الكيميائية]] المتحررة أثناء التفاعل [[كيمياء كهربائية|الكهروكيميائي]] لل[[هيدروجين]] و[[أكسجين|الأكسجين]] إلى [[طاقة كهربائية]] وهذا بخلاف [[احتراق|الاحتراق]] المباشر لغازي الهيدروجين والأكسجين الذي يولد [[طاقة حرارية]].

يتم ضخ تيار من الهيدروجين إلى جهة [[مصعد|المصعد]] لتركيبة غشاء القطب MEA. وعند المصعد يتم فصل الهيدروجين [[تحفيز|تحفيزيا]]  إلى [[بروتون|بروتونات]] و[[إلكترون|إلكترونات]]. من الممكن التعبير عن تفاعل [[أكسدة واختزال|الأكسدة]] هذا بالصيغة التالية:

{| style="border: 1px solid #cccccc; width: 50%;"
|-
|| <math>\mathrm{H}_2 \rightarrow \mathrm{2H}^+ + \mathrm{2e}^-</math>
| style="text-align: left;" | <math>E^o = 0V</math><sub>[[قطب الهيدروجين المعياري|SHE]]</sub>
| style="text-align: left;" valign="top" | <math>\left (1 \right)</math>
|}

تنفذ البروتونات الجديدة المحررة خلال الغشاء اللدن إلى طرف المهبط (أصفر). أما الالكترونات فتنقل في [[دائرة كهربائية|الدارة الخارجية]] (احمر)  إلى المهبط لتركيبة غشاء القطب وهذا يولد[[تيار كهربائي]]  خارج خلية الوقود.

في هذه الأثناء يتم ضخ تيار من الأكسجين (أزرق) لطرف المهبط. وعند المهبط تتفاعل جزيئات الأكسجين مع البروتونات الحرة التي نفذت خلال الغشاء اللدن والإلكترونات التي وصلت عبر الدارة الخارجية لتشكيل جزيئات الماء. تفاعل [[أكسدة واختزال|الاختزال]] هذا الذي يمثل نصف عمل الخلية يمثل بالصيغة:

{| style="border: 1px solid #cccccc; width: 50%;"
|-
|| <math>\mathrm{4H}^+ + \mathrm{4e}^- + \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{2H}_2\mathrm{O}</math>
| style="text-align: left;" | <math>E^o = 1.229V</math><sub>[[قطب الهيدروجين المعياري|SHE]]</sub>
| style="text-align: left;" valign="top" | <math>\left (2 \right)</math>
|}

=== غشاء إلكتروليت لدن ===
يجب على الغشاء أن ينقل أيونات الهيدروجين (البروتونات) من أجل أن يتم عمله بصورة صحيحة، وليس نقل الإلكترونات لأن هذا سوف يتسبب بحدوث [[دائرة قصر|دارة قصر]] في خلية الوقود. يجب أن لا يسمح الغشاء أيضاً بمرور الغازات عبره وذلك درءاً لمشكلة تعرف باسم «عبور الغازات» gas crossover. أخيراً، يجب أن يكون الغشاء ممناسبا ومتحملا لطبيعة العمل القاسية بين المهبط والمصعد.

إن عملية فصل [[جزيء]] الهيدروجين تتم بصورة سهلة باستخدام محفز   [[بلاتين ]]. إلا أن فصل جزئية الأكسجين هي عملية أصعب بكثير، وتسبب فقدان الكثير من الكهرباء. لم يتم اكتشاف محل مناسب لهذه العملية حتى اليوم، لذلك فإن البلاتين  يعتبر أفضل الحلول . أحد العوامل التي تسبب الضياعات هو ممانعة الغشاء لعبور البروتونات، والتي من الممكن تخفيضها بجعل سماكة الغشاء أقل ما يمكن (عادة سمك  50 ميكرو متر).

إن التحكم بالماء هي عملية حرجة جداً، حيث أن كمية كبيرة من الماء ستسبب فيضان في الغشاء، وكمية قليلة من الماء سوف تجففه، وبكلا الحالتين فسيهبط خرج البطارية.

أكثر أنواع الأغشية المستخدمة هي أغشية [[نافيون]] Nafion من شركة [[دو بونت]] التي تعتمد على ترطيب الغشاء بالماء من أجل نقل البروتونات. وهذا يؤدي إلى عدم تشغيل الخلية على درجة حرارة تزيد على 80 إلى 90 درجة مئوية ،  لأن ذلك سيسبب جفاف الغشاء. هناك أنواع أخرى تسمح بتشغيل الخلية على درجات حرارة أعلى مما يسمح بكفاءة أعلى للخلية. تتراوح كفاءة خلية PEM بين 40% إلى 60%.

== تاريخ ==
قبل اختراع خلايا وقود غشاء تبادل البروتون PEM، كان يوجد أنواع من خلايا قود مثل [[خلية وقود الأكسيد الصلب|خلايا وقود الأكسيد الصلب]] solid-oxide fuel cells والتي كانت تستخدم فقط في الظروف الصعبة. كانت هذه الأنواع من الخلايا تتطلب مواد غالية جداً كما أن استخدامها انحصر في الاستخدامات الثابتة بسبب حجمها الكبير. كانت خلية وقود  PEM الحل لهذه المشاكل. تم اختراع خلية وقود غشاء تبادل البروتون PEM في أوائل الستينات على يد "ويلارد توماس غروب" Willard Thomas Grubb و "لي نيدراتش"  Lee Niedrach من شركة [[جنرال إلكتريك]]. في البداية تم استخدام غشاء من البولسترين المكبرت كمحل كهربائي، ولكن تم استبداله لاحقاً في عام 1966 بغشاء [[نافيون]] الذي أثبت تفوقه وطول عمره.

تم استخدام '''خلايا وقود غشاء تبادل البروتون '''  في سلسلة مركبات الفضاء [[سوزوكي جيمني|جيمني]] Gemini التابعة [[ناسا|لناسا]]، لكن تم استبدالها لاحقاً ب[[خلية وقود قلوية|خلايا وقود قلوية]] في برنامج [[أبولو (توضيح)|أبولو]] وفي [[مكوك فضاء|مكوك الفضاء]].

على الرغم من نجاحها في برامج الفضاء، كانت هذه الخلايا تستخدم في تطبيقات الفضاء والتطبيقات الأخرى ذات الكلفة العالية. لم يتم توسيع دائرة تطبيقات خلايا الوقود حتى أواخر الثمانيات وأوائل التسعينات من القرن العشرين.

==اقرأ أيضا==
*[[تفاعل انتاج الهيدروجين]]
*[[خلية وقود الأكسيد الصلب]]

== مواقع خارجية ==
* [http://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem/pemmain.htm　 تاريخ خلايا وقود الغشاء مبادل البروتونات]

== مراجع ==

{{مراجع}}
{{روابط شقيقة}}
{{ضبط استنادي}}
{{شريط بوابات|الكيمياء|طاقة|تنمية مستدامة|إلكترونيات}}

[[تصنيف:بروتون]]
[[تصنيف:تقانة الأغشية]]
[[تصنيف:خلايا وقود]]