خودروی هیدروژنی چگونه حرکت می‌کند؟ تفاوت پیل سوختی با موتور بنزینی
خودروهای هیدروژنی با استفاده از انرژی ذخیره‌شده در گاز هیدروژن حرکت می‌کنند، اما برخلاف خودروهای بنزینی، برای به حرکت درآوردن چرخ‌ها به احتراق سوخت در سیلندرها نیاز ندارند. در خودروهای هیدروژنی مجهز به پیل سوختی، هیدروژن با اکسیژن موجود در هوا واکنش الکتروشیمیایی انجام می‌دهد و برق موردنیاز موتور الکتریکی را تأمین می‌کند. این فرایند بدون احتراق انجام می‌شود و خروجی آن در محل رانندگی خودرو، آب و گرما است.
در گزارش فنی ابرار صنعتی، سازوکار حرکت خودروهای هیدروژنی، عملکرد پیل سوختی و تفاوت این فناوری با موتورهای بنزینی را بررسی می‌کنیم.
خودروی هیدروژنی چگونه حرکت می‌کند؟
خودروهای هیدروژنی مجهز به پیل سوختی (FCEV) از یک سیستم محرکه الکتریکی استفاده می‌کنند. مخزن مخصوص، هیدروژن فشرده را در خودرو نگهداری می‌کند. هنگام حرکت، هیدروژن از مخزن به مجموعه پیل سوختی منتقل می‌شود و هوای محیط نیز از طریق ورودی هوا وارد این مجموعه خواهد شد.
در پیل سوختی، هیدروژن و اکسیژن مستقیماً با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند تا مانند موتور بنزینی احتراق ایجاد کنند. در عوض، یک واکنش الکتروشیمیایی در سلول‌های پیل سوختی اتفاق می‌افتد. کاتالیزور موجود در بخش آند، مولکول‌های هیدروژن را به پروتون و الکترون تقسیم می‌کند.
پروتون‌ها از غشای تبادل پروتون عبور می‌کنند و به سمت کاتد می‌روند. الکترون‌ها امکان عبور مستقیم از این غشا را ندارند و از یک مدار خارجی عبور می‌کنند. حرکت الکترون‌ها در مدار، جریان الکتریکی تولید می‌کند. در سمت کاتد، پروتون‌ها و الکترون‌ها با اکسیژن ترکیب می‌شوند و آب و گرما به وجود می‌آورند.
برق تولیدشده در پیل سوختی به موتور الکتریکی می‌رسد و گشتاور لازم برای چرخاندن چرخ‌ها را فراهم می‌کند. واحد کنترل الکترونیکی نیز میزان برق انتقالی به موتور و باتری را متناسب با شرایط رانندگی تنظیم می‌کند.
قطعات اصلی سیستم حرکتی خودروی هیدروژنی
خودروی مجهز به پیل سوختی از چند بخش اصلی تشکیل شده است. هر قطعه وظیفه مشخصی در ذخیره سوخت، تولید برق و انتقال نیرو به چرخ‌ها دارد:
- مخزن هیدروژن: گاز هیدروژن را در فشار بالا ذخیره می‌کند. مخازن خودروهای سواری امروزی معمولاً برای فشار ۷۰۰ بار طراحی می‌شوند.
- پشته پیل سوختی: مجموعه‌ای از سلول‌های الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی هیدروژن را به برق تبدیل می‌کند.
- موتور الکتریکی: نیروی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند و چرخ‌ها را به حرکت درمی‌آورد.
- باتری ولتاژ بالا: انرژی حاصل از ترمز احیاکننده را ذخیره می‌کند و هنگام شتاب‌گیری به تأمین برق موردنیاز موتور کمک می‌کند.
- مبدل و واحد کنترل برق: جریان الکتریکی را تنظیم و توزیع می‌کنند تا موتور و سایر تجهیزات خودرو انرژی موردنیاز خود را دریافت کنند.
- سیستم خنک‌کننده: دمای پیل سوختی، موتور و تجهیزات الکترونیکی را در محدوده عملیاتی مناسب نگه می‌دارد.
تفاوت پیل سوختی هیدروژنی با موتور بنزینی
تفاوت اصلی این دو فناوری در روش تبدیل انرژی به نیروی حرکتی است. موتور بنزینی با سوزاندن مخلوط هوا و بنزین در محفظه احتراق، فشار لازم برای حرکت پیستون‌ها را ایجاد می‌کند. حرکت پیستون‌ها از طریق میل‌لنگ به نیروی چرخشی تبدیل می‌شود و گیربکس این نیرو را به چرخ‌ها انتقال می‌دهد.
در مقابل، خودروی هیدروژنی مجهز به پیل سوختی، ابتدا برق تولید می‌کند و سپس موتور الکتریکی با استفاده از این برق خودرو را به حرکت درمی‌آورد. بنابراین، در این فناوری خبری از پیستون، شمع احتراق و انفجار مخلوط سوخت و هوا برای تولید نیروی محرکه نیست.
| ویژگی | خودروی هیدروژنی با پیل سوختی | خودروی بنزینی |
|---|---|---|
| نوع انرژی مصرفی | هیدروژن فشرده | بنزین |
| روش تولید نیرو | تولید برق و استفاده از موتور الکتریکی | احتراق داخلی سوخت |
| قطعه اصلی محرکه | پیل سوختی و موتور الکتریکی | موتور احتراق داخلی |
| خروجی اگزوز | آب و گرما | گازهای حاصل از احتراق |
| سیستم ذخیره انرژی | مخزن هیدروژن و باتری کمکی | مخزن بنزین |
| ترمز احیاکننده | قابلیت بازیابی انرژی ترمز | معمولاً فاقد این سیستم |
وزارت انرژی ایالات متحده اعلام کرده است که ترکیب پیل سوختی و موتور الکتریکی می‌تواند از نظر تبدیل انرژی، دو تا سه برابر کارآمدتر از موتور احتراق داخلی بنزینی باشد. این مقایسه به بازده تبدیل انرژی مربوط است و به معنی برتری قطعی در تمام هزینه‌های تولید، نگهداری و استفاده از خودرو نیست.
آیا خودروی هیدروژنی دود تولید می‌کند؟
در خودروهای مجهز به پیل سوختی، فرایند تولید برق بدون احتراق بنزین یا گازوئیل انجام می‌شود. به همین دلیل، این خودروها هنگام حرکت از اگزوز خود دی‌اکسیدکربن، اکسیدهای نیتروژن و ذرات آلاینده ناشی از احتراق سوخت منتشر نمی‌کنند. خروجی سیستم پیل سوختی شامل آب و گرما است.
میزان آلایندگی کلی خودرو فقط به عملکرد آن در جاده وابسته نیست. هیدروژن باید پیش از استفاده تولید، فشرده‌سازی و به جایگاه سوخت منتقل شود. در حال حاضر، بخش عمده هیدروژن تولیدشده در آمریکا از فرایند اصلاح بخار گاز طبیعی به دست می‌آید. این روش در فرایند تولید، دی‌اکسیدکربن ایجاد می‌کند.
روش دیگر، الکترولیز آب است. در این فرایند، برق برای تجزیه مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌شود. اگر برق موردنیاز الکترولیز از انرژی خورشیدی یا بادی تأمین شود، امکان کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در زنجیره تولید هیدروژن وجود دارد.
سوخت‌گیری خودروی هیدروژنی چقدر زمان می‌برد؟
هیدروژن سبز خودروهای سواری در مخازن پرفشار نگهداری می‌شود. استاندارد فشار مورد استفاده در بسیاری از خودروهای سواری هیدروژنی ۷۰۰ بار یا ۷۰ مگاپاسکال است. جایگاه‌های مخصوص با اتصال نازل به ورودی مخزن، گاز هیدروژن را به خودرو منتقل می‌کنند.
طبق اطلاعات مرکز داده سوخت‌های جایگزین وزارت انرژی آمریکا، سوخت‌گیری خودروهای سواری هیدروژنی در شرایط استاندارد معمولاً حدود ۳ تا ۵ دقیقه زمان می‌برد. این زمان به ظرفیت مخزن، شرایط دمایی و عملکرد تجهیزات جایگاه نیز وابسته است.
با وجود این سرعت سوخت‌گیری، دسترسی به جایگاه‌های هیدروژن همچنان محدود است. احداث مخازن ذخیره، خطوط انتقال، تجهیزات فشرده‌سازی و جایگاه‌های مخصوص به سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی نیاز دارد. این موضوع در کنار هزینه تولید هیدروژن و ساخت پشته‌های پیل سوختی، از موانع گسترش خودروهای هیدروژنی محسوب می‌شود.
تفاوت خودروی پیل سوختی با موتور احتراقی هیدروژنی
تمام خودروهایی که از هیدروژن استفاده می‌کنند، الزاماً پیل سوختی ندارند. برخی شرکت‌های خودروسازی روی موتور احتراق داخلی هیدروژنی نیز تحقیق کرده‌اند. در این فناوری، هیدروژن به‌عنوان سوخت وارد موتور می‌شود و با اکسیژن هوا می‌سوزد. انرژی حاصل از احتراق، پیستون‌ها را حرکت می‌دهد.
تفاوت این دو فناوری در جدول زیر مشخص است:
| مشخصات | پیل سوختی هیدروژنی | موتور احتراقی هیدروژنی |
|---|---|---|
| روش استفاده از هیدروژن | واکنش الکتروشیمیایی | احتراق داخل سیلندر |
| نوع محرکه | موتور الکتریکی | موتور احتراق داخلی |
| تولید برق از هیدروژن | بله | خیر |
| انتشار اکسیدهای نیتروژن | ندارد | امکان تولید دارد |
| تولید آب در محل استفاده | بله | بله، به‌عنوان محصول احتراق |
نکته فنی: خودروی پیل سوختی هیدروژنی از نظر شیوه انتقال نیرو به خودروهای برقی شباهت دارد؛ تفاوت اصلی این است که برق موردنیاز آن به‌جای دریافت مستقیم از شبکه برق و ذخیره در باتری بزرگ، داخل خودرو و با استفاده از هیدروژن تولید می‌شود.
منبع: afdc.energy.gov
