آشنایی با نحوه عملکرد خودروی هیدروژنی

عده ای معتقدند گاز هیدروژن سوخت پاکِ آینده خواهد بود. محققان طرحی در اروپا می خواهند با تبدیل هیدروژن به سوخت اصلی خودروها اولین شبکه سراسری سوخت رسانی هیدروژن را برای رانندگانِ خودروهای پیل سوختی در اروپا به راه بیندازند . در حال حاضر دانمارک اولین کشور دنیاست که در آن شبکه ملی سوخت رسانی برای هیدروژن وجود دارد.یکی از راههای کاهش انتشار گاز دی اکسید کربن استفاده از هیدروژن به جای بنزین و دیزل است. محققان طرح اروپایی تبدیل هیدروژن به سوخت اصلی خودروها در دانمارک به دنبال راهی برای پیشبرد این فناوری هستند. در اروپا در حال حاضر تنها چند صد وسیله نقلیه با سوخت گاز هیدروژن وجود دارد.دانمارک اولین کشور دنیاست که در آن شبکه ملی سوخت رسانی برای هیدروژن وجود دارد. حدود ۱۰ جایگاه سوخت رسانی هیدروژنی در نقاط استراتژیک کشور راه اندازی شده است.

خودروی هیدروژنی چیست ؟

خودروهای پیل سوختی به اتومبیل هایی اطلاق می شود که باتری مورد استفاده در آن ها هیدروژن/اکسیژن است. برخلاف باتری های معمول مورد استفاده، باتری های هیدروژنی ساختار بسته ی مملو از مواد شیمیایی ندارند، بلکه می توان آن ها را با گاز هیدروژن شارژ کرد. شماری از باتری ها علاوه بر هیدروژن توانایی کار با گازهای دیگر، نظیر متان و بنزین را دارند، اما این موارد در کاربردهای محدود صنعتی چون نیروگاه ها یا لیفتراک ها مورد استفاده قرار می گیرند.

همچون باتری های معمول مورد استفاده، باتری های سوختی نیز از وجود آند، کاتد و الکترولیت بهره می برند. اغلب خودروهای هیدروژنی تولید شده همچون تویوتا میرای و هوندا اف سی ایکس کلاریتی، از باتری های سوختی با الکترولیت پلیمری بهره می برند. این نوع باتری ها که اصطلاحا Polymer Exchange Membrance Fuel Cell یا به اختصار PEMFCنام گرفته اند، برای استفاده در انواع وسایل نقلیه توسعه یافته اند. در این پیل های سوختی، هیدروژن با فشار از درون کاتالیزور پلاتینیوم عبور می کند که با عبور از این مرحله دو یون و دو الکترون به دست می آید. الکترون های حاصل در فرآیند نیرو بخشیدن به موتور الکتریکی خودرو مورد استفاده قرار می گیرند و یون های حاصل نیز با اکسیژن ترکیب شده و در نتیجه بخار آب از اگزوز خودرو خارج می شود. پیل های سوختی PEMFC به اندازه ای در کنار یکدیگر قرار می گیرند تا انرژی مورد نیاز برای تامین نیروی الکتریکی مورد نیاز خودرو تامین شود.

در حال حاضر کدامیک از خودروسازان مطرح جهان در اتومبیل های هیدروژنی تولید کرده اند؟ هیوندای نمونه ای از توسان را در تابستان سال جاری میلادی بصورت لیزینگ و با یک قرارداد سه ساله با پرداخت ۴۹۹ دلار در ماه روانه ی بازار کرده است. غول خودروسازی کره ی جنوبی برای فروش ۶۰ هیوندای توسان هیدروژنی در جنوب کالیفرنیا برنامه ریزی کرده است. تویوتا برای فروش میرای به قیمت ۵۷٫۵۰۰ دلار در سال ۲۰۱۶ برنامه ریزی کرده است. هوندا هم وعده ی عرضه ی خودروی هیدروژنی خود را در سال ۲۰۱۶ میلادی داده است. باواریایی ها اعلام کرده اند که در آینده ی نزدیک نسخه ی بی ام دبلیو هیدوژنی را معرفی خواهند کرد. این خودروساز آلمانی با تویوتا برای اشتراک گذاری فناوری های مورد استفاده به توافق رسیده است. سایر خودروسازان مطرح دنیا چون جنرال موتورز در حال آزمایش خودروهای هیدروژنی هستند.

هیدروژن مورد نیاز در کجا تولید خواهد شد؟

در صورتی که هدف از تولید خودروهای هیدروژنی ایجاد یک چرخه ی سبز و بدون تولید آلودگی است، هیدروژن مورد نیاز نیز باید از راه هایی تولید شود که آلودگی را به محیط زیست تحمیل نکند. اما تولید هیدروژن فرآیند بسیار سختی دارد. بهترین راه برای به دست آوردن گاز هیدروژن استفاده از الکترولیز برای جدا کردن هیدروژن و اکسیژن در آب است. این روش اصلا بهینه نیست و هزینه ی مورد نیاز برای تولید هر کیلوگرم هیدروژن در بهینه ترین حالت ۲.۵ دلار است.

تغییر ساختار گاز طبیعی راهکار دیگری است که می توان برای تولید هیدروژن از آن استفاده کرد، اما نکته ی منفی این روش تولید آلودگی است. در این روش دمای بخار آب در حدود ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه ی سانتی گراد افزایش می یابد و در این مرحله بخار با گاز متان مخلوط می شود که نتیجه ی آن تولید مونوکسید کربن و هیدروژن در کنار مقدار کمی دی اکسید کربن است. در حال حاضر بیش از ۹۵ درصد از هیدروژن تولید شده در آمریکا به این روش به دست می آید.

مزیت ماشین های هیدروژنی

با این حال در اتومبیل های الکتریکی نیروی لازم توسط باتری شارژ شده تامین می شود و در اتومبیل های هیدروژنی نیروی مورد نیاز توسط هیدروژن و اکسیژن تامین می شود که این دسته از اتومبیل ها نیز با باتری مجهز شده اند و زمانیکه برق تولید می شود و اتومبیل در حال حرکت است، باتری موجود در اتومبیل، شروع به شارژ شدن می شوند که این باتری ها نسبت به باتری به کار رفته در اتومبیل های الکتریکی کوچکتر هستند.

ماشین های هیدروژنی و الکتریکی

خودروهای الکتریکی و برقی از محدودیت رانندگی نیز برخوردار هستند و زمانیکه شما باتری اتومبیل را شارژ می کنید، در طی محدوده تعریف شده، خاموش خواهد شد و باید آنرا به برق متصل نمایید و مدت طولانی را صبر کنید تا شارژ شوند و مجددا به مسیر خود ادامه دهید!اما چنین چیزی در اتومبیل های هیدروژنی وجود ندارد و می توانید همانند اتومبیل های بنزینی، در جایگاه های سوخت، کپسول های موجود در اتومبیل را توسط هیدروژن پر کنید و در کنار حرکت اتومبیل با هیدروژن، باتری و موتور الکتریکی آنرا شارژ کنید!این گونه گویا شما دو اتومبیل دارید که وقتی سوخت اتومبیل اول تمام شد، هیچ اضطرابی نخواهید داشت و می توانید در کنار جاده پارک کنید و سوار اتومبیل دوم خود شوید و به ادامه مسیر به همراه خانواده بپردازید!!

نحوه کار کردن خودروهای هیدروژنی

اصول کاری پیل سوختی بر ایجاد پیوند میان دو عنصر اکسیژن و هیدروژن و تولید آب و الکتریسیته استوار است. تا اینجای کار همه چیز خوب به نظر می رسد چراکه هردوی عناصر لازم برای این واکنش به وفور در دسترس است و این فرآیند هم بسیار پاک است و هیچ آلایندگی تولید نمی کند. مشکل، اما وقتی آشکار می شود که اکسیژن و هیدروژن از ترکیب شدن با هم سر باز می زنند!
متاسفانه در حالت طبیعی اکسیژن و هیدروژن هیچ میلی به ترکیب شدن با هم ندارند و این وظیفه مهندسان است تا بتوانند روشی برای ترکیب کردن این دو ماده و تولید الکتریسیته پیدا کنند و اینجاست که پیچیدگی های یک سلول پیل سوختی مشخص می شود. برای آنکه بتوان هیدروژن و اکسیژن را با هم ترکیب کرد نیاز است ساختار آن ها شکسته شود. برای این منظور دانشمندان موفق شده اند کاتالیست های ویژه ای را طراحی کنند که می تواند با تغییر در ساختار این دو ماده آن ها را وادار به ترکیب با یکدیگر کند.

در یک سلول سوختی، گاز هیدروژن به صورت H ۲ به یک سمت پیل تزریق می شود که حکم آند را در باتری های معمولی دارد (این گاز در اصل حکم سوخت را دارد و عملا مصرف می شود و واژه پیل «سوختی» نیز به همین دلیل به این سیستم داده شده است). ساختار گاز هیدروژن در مواجهه با کاتالیزور (که به طور معمول از جنس پلاتین است) تجزیه می شود و به این ترتیب یون های مثبت هیدروژن و الکترون آزاد می شود. به طور معمول این دو بخش تمایل دارند به مسیر خود در پیل سوختی ادامه دهند، اما پس از کاتالیزور، یک لایه دیگر موسوم به الکترولیت (که می تواند ساختار های مختلفی داشته باشد و در بخش بعدی بررسی خواهد شد) وجود دارد که تنها به یون های مثبت اجازه عبور می دهد و به این ترتیب الکترون ها که بار منفی دارند نمی توانند از آن گذر کنند.
این الکترون ها ناچارند در مدار خارجی جریان پیدا کنند و به این ترتیب به سمت مصرف کننده جریان الکتریکی (که در اینجا موتور الکتریکی خودرو است) می روند. در داخل پیل سوختی یون های هیدروژن (که بار مثبت دارند و الکترون خود را از دست داده اند) در ادامه مسیر خود به سمت کاتد می روند. از سوی دیگر الکترون ها نیز در ادامه مسیر خود از مصرف کننده جریان الکتریکی به سمت کاتد می آیند (به طور کلی جریان الکتریکی باید به صورت بسته باشد به این معنا که الکترون ها بتوانند در یک مدار بسته حرکت کنند تا جریان تولید شود). در کاتد، یون های مثبت هیدروژن و الکترون ها با اکسیژن برخورد می کنند که حاصل آن فرمول مشهور ترکیب هیدروژن و اکسیژن، آب است.به این ترتیب در پروسه این فعل وانفعالات، جریان الکتریسیته، آب و البته مقداری گرما تولید می شود. این گرما باعث می شود آب تولید شده به صورت بخار باشد و به همین دلیل است که از اگزوز خودرو های مجهز به پیل سوختی بخار آب خارج می شود. در این فرآیند هیچ آلاینده زیست محیطی تولید نمی شود و خروجی خودرو تنها بخار آب است و به همین دلیل این خودرو ها جزو خودرو های فاقد آلایندگی طبقه بندی می شوند.

نحوه سوخت گیری خودرو های هیدروژنی

هیدروژن وارد آند شده و کاتد نیز یون های اکسیژن را وارد این قسمت می کند. در ادامه آند باعث آزاد شدن الکترون ها از هیدروژن شده و در نهایت جذب کاتد می شوند و با اکسیژن واکنش نشان می دهند و در نهایت تبدیل به مولکول های آب می شوند که بی شک کاملا خاص و منحصر بفرد می باشد.

خودروهای هیبریدی چگونه کار میکنند؟