لدعم بناء شبكات كهربائية حديثة قادرة على التعامل بمرونة مع مصادر الطاقة المتقلبة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، حقق مهندسون من جامعة وست فرجينيا إنجازًا كبيرًا بتصميم واختبار خلية وقود يمكنها التبديل بين تخزين الطاقة وتوليد الكهرباء، مع إنتاج الهيدروجين من الماء. نُشرت الدراسة في مجلة Nature Energy.

تتمتع هذه الخلية بمزايا بارزة، حيث يمكنها تحمل الحرارة والبخار الناتجين عن التشغيل عالي الطاقة لفترات طويلة على نطاق صناعي، متغلبة على ثلاث مشكلات رئيسية تواجه خلايا Proton Ceramic Electrochemical Cells (PCEC): عدم الاستقرار في بيئات البخار العالي، ضعف الاتصال بين الطبقات، وأداء منخفض في توصيل البروتونات، مما جعل تطبيقها على نطاق واسع صعبًا.

أوضح البروفيسور شينغبو ليو، أستاذ علوم المواد ونائب عميد الأبحاث في كلية بنجامين ستاتلر للهندسة وموارد المعادن بجامعة وست فرجينيا، أن خلايا PCEC، بفضل قدرتها على التبديل بين تخزين الطاقة وتوليد الكهرباء، قد تكون تقنية حاسمة لشبكة الكهرباء الأمريكية التي تسعى لدمج مصادر طاقة متقطعة متعددة المصادر. صمم الفريق هيكلية "سقالة طلاء مطابقة" (Conformal Coating Scaffold) يتم طلاؤها وإغلاقها بطبقة محفزة كهربائيًا مستقرة في البخار، تمتص الماء، وتبقى سليمة مع تغيرات درجة الحرارة، مما يتيح حركة البروتونات والحرارة والتيار داخل الهيكل.

عمل النموذج الأولي عند درجة حرارة 600 مئوية وبيئة رطوبة 40% لأكثر من 5000 ساعة، منتجًا طاقة وهيدروجينًا عبر عملية التحليل الكهربائي. في السابق، لم تتجاوز أطول مدة تشغيل مستمر لخلايا PCEC صغيرة الحجم 1833 ساعة، مع انخفاض الأداء بمرور الوقت. وأشار البروفيسور ليو إلى أن النظام التجريبي الذي طوره الفريق يستخدم خلايا CCS لتخزين الهيدروجين واستخدامه في تفاعلات التحليل الكهربائي، محققًا أداءً متميزًا في أوضاع التخزين وتوليد الطاقة، مع القدرة على التبديل بسلاسة خلال دورات تصل إلى 12 ساعة، مما يوفر حلولًا لتحقيق التوازن في الشبكات التي تعتمد على مصادر طاقة مستدامة متقطعة.

قاد الدراسة هانشين تيان، الذي عمل كطالب دكتوراه وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة وست فرجينيا، والبروفيسور المساعد للأبحاث وي لي، بمشاركة الباحث ما بعد الدكتوراه تشينغيوان لي، وأستاذ هندسة المواد البلاستيكية في General Electric ديبانغسو بهاتاشاريا، والأستاذ المساعد وينيوان لي.

أوضح تيان أن تصاميم PCEC الحالية تعاني من فشل الإلكتروليت بسبب تسرب البخار، وضعف الاتصال بين الإلكتروليت والأقطاب بسبب التمدد الحراري المتباين. أضاف فريق جامعة وست فرجينيا أيونات الباريوم للحفاظ على الرطوبة وتعزيز حركة البروتونات، وأيونات النيكل لتصنيع خلايا CCS أكبر وأكثر استقرارًا وتسطيحًا. وبما أن هذه الخلية تعتمد على البخار، يمكن تشغيلها باستخدام مياه مالحة أو مياه منخفضة الجودة.

وأشار تيان إلى أن جميع النتائج تشير إلى إمكانية التوسع إلى النطاق الصناعي، مما يجعل إنتاج خلايا وقود CCS على نطاق واسع ممكنًا. تتمتع هذه الخلايا بالقوة والاستقرار في الظروف القاسية، مما يوفر أملًا واتجاهًا جديدًا لتطوير الشبكات الكهربائية الحديثة في مجال التصنيع الأخضر.