لماذا تتمتع خلايا الوقود المبردة بالهواء بعمر أقصر من خلايا الوقود المبردة بالماء؟

في تكنولوجيا خلايا الوقود، لا يؤثر اختيار نظام التبريد على كفاءة تبديد الحرارة فحسب، بل يحدد أيضاً بشكل مباشر عمر قلب الخلية. وتكمن وراء أسلوبي التبريد الرئيسيين - التبريد الهوائي والتبريد السائل - اختلافات جوهرية تؤثر على متانة الخلية.

فيما يتعلق بوسائط التبريد، ما هي الاختلافات بين خلايا الوقود المبردة بالهواء والمبردة بالماء ?

تعتمد أنظمة التبريد الهوائي على الهواء كوسيط تبريد. يتميز الهواء بسعة حرارية نوعية منخفضة، مما يعني قدرته المحدودة على نقل الحرارة. أثناء التشغيل الفعلي، يمكن أن تتشكل بسهولة بؤر ساخنة موضعية داخل مجموعة خلايا الوقود. لا يؤثر هذا التوزيع غير المتساوي لدرجة الحرارة سلبًا على الأداء فحسب، بل يُسرّع أيضًا من تدهور المواد - إذ يزداد معدل التدهور الكيميائي لغشاء تبادل البروتونات وطبقات المحفز بشكل كبير عند درجات الحرارة العالية. تستخدم أنظمة التبريد السائل مواد تبريد ذات سعات حرارية نوعية أعلى (عادةً ما تكون خليطًا من الماء منزوع الأيونات والإيثيلين جليكول). يشبه الأمر إنشاء "طريق سريع حراري" عالي الكفاءة لـ مجموعة خلايا الوقود، والتي يمكنها إزالة حرارة التفاعل بشكل موحد وسريع، مما يحافظ على تشغيل مجموعة خلايا الوقود في نطاق درجة الحرارة الأمثل والأكثر تجانسًا، مما يؤدي بشكل أساسي إلى إبطاء عملية تقادم المواد.

من حيث منطق التحكم، ما هي الاختلافات بين خلايا الوقود المبردة بالهواء وخلايا الوقود المبردة بالسوائل؟

تواجه أنظمة التبريد الهوائي معضلة أساسية: إذ يُستخدم تدفق الهواء نفسه لتوصيل الغاز (الأكسجين للتفاعلات الكيميائية) والتبريد. ولتبديد الحرارة، قد يكون من الضروري زيادة تدفق الهواء، لكن هذا سيؤدي إلى إزالة الرطوبة اللازمة لغشاء القطب، مما يتسبب في جفاف الغشاء؛ وللحفاظ على الماء، قد يتم التضحية بتبديد الحرارة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. هذا الخلل في التوازن الحراري المائي يُبقي مجموعة خلايا الوقود في حالة "إجهاد" لفترة طويلة. أما نظام التبريد السائل فيحقق فصلًا وظيفيًا مثاليًا: مسار تدفق الهواء مخصص لتزويد الهواء، ومسار سائل التبريد مخصص للتحكم في درجة الحرارة. ويتم تحسين كليهما بشكل مستقل من خلال نظام التحكم، مما يضمن تشغيل مجموعة خلايا الوقود دائمًا عند درجة الحرارة والرطوبة الأمثلين. هذه البيئة الداخلية المستقرة والقابلة للتحكم هي أساس عمرها الطويل.

من حيث استجابة ظروف التشغيل، ما هي الاختلافات بين خلايا الوقود المبردة بالهواء وخلايا الوقود المبردة بالسوائل؟

غالبًا ما تُظهر مكدسات التبريد الهوائي خصائص إنتاج طاقة "ذاتية التسارع": زيادة الحمل ← زيادة توليد الحرارة ← زيادة تدفق الهواء المطلوب للتبريد ← جفاف مجموعة غشاء القطب الكهربائي ← زيادة المقاومة الداخلية ← المزيد من الحرارة المهدرة. يُنشئ هذا حلقة تغذية راجعة إيجابية غير مستقرة. والأهم من ذلك، أن دورات الترطيب والتجفيف المتكررة والقاسية الناتجة تُعرّض طبقة المحفز وطبقة انتشار الغاز والغشاء لإجهاد ميكانيكي هائل، مما يؤدي إلى تلف مادي مثل الانفصال والتشقق. تُحقق أنظمة التبريد السائل تنظيمًا فعالًا وسلسًا للطاقة من خلال مضخات خارجية وتحكم ذي حلقة مغلقة. يستجيب تدفق سائل التبريد ودرجة حرارته بدقة وسرعة لتغيرات الحمل، مما يقلل من التقلبات في الحالة الداخلية للمكدس. يُعزز انخفاض التمدد/الانكماش الحراري ودورات الترطيب والتجفيف بشكل طبيعي متانة هياكل المواد.

من حيث بيئة المعيشة، ما هي الاختلافات بين خلايا الوقود المبردة بالهواء وخلايا الوقود المبردة بالسوائل؟

يعني التبريد الهوائي أن قطب الكاثود (القطب الهوائي) في خلية الوقود يتعرض مباشرةً للبيئة الخارجية. يمكن للملوثات المحمولة جوًا، مثل الغبار والملح والكبريتيدات، أن تخترق بسهولة وتلتصق مباشرةً بمحفز البلاتين باهظ الثمن، مما يؤدي إلى انسداد مسام طبقة انتشار الغاز. يُعد تلوث طبقة المحفز أحد الأسباب الرئيسية لتدهور الأداء بشكل لا رجعة فيه. أما أنظمة التبريد السائل، فتتميز عادةً بترشيح دقيق لمدخل هواء الكاثود، كما أن خلية الوقود بأكملها موضوعة داخل غلاف مغلق نسبيًا، مما يوفر حماية فائقة لطبقة المحفز، ويبطئ بشكل ملحوظ تدهور الأداء الناتج عن التلوث.

باختصار، خلايا الوقود المبردة بالهواء تُشبه خلايا الوقود السائلة العدائين الموهوبين الذين يحتاجون إلى بيئات قاسية: فهي بسيطة التركيب، وسريعة التشغيل، ومنخفضة التكلفة. وتناسب التطبيقات الخفيفة والمتقطعة ذات متطلبات العمر الافتراضي المنخفضة نسبيًا، مثل الطائرات بدون طيار والمركبات منخفضة السرعة. أما خلايا الوقود السائلة، فهي "أبطال التحمل" المصممة للماراثونات. ومن خلال أنظمة أكثر تعقيدًا وتطورًا، تُعطي الأولوية للاستقرار على المدى الطويل. وينصب تركيزها على المتانة، مما يجعلها خيارًا رئيسيًا للتطبيقات الشائعة مثل سيارات الركاب والشاحنات التجارية وتوليد الطاقة الثابتة.