خودرو هیدروژنی از سوخت هیدروژن به عنوان منبع انرژی خود استفاده می‌کند. این فناوری برای موشک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد اما به‌نظر می‌رسد که در آینده بیشترین تاثیر را بر خودروها خواهد داشت.
انرژی شیمیایی هیدروژن از طریق یک واکنش REDOX (کاهش/اکسیداسیون) بین هیدروژن و اکسیژن در یک پیل سوختی توسعه‌یافته به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود.
باتری (کمکی):
در یک وسیله نقلیه الکتریکی، باتری کمکی ولتاژ کم برق را برای روشن کردن خودرو قبل از درگیر شدن باتری کششی فراهم می‌کند. همچنین برق لازم برای لوازم جانبی خودرو را نیز تامین می‌کند.
بسته باتری:
این باتری ولتاژ بالا ناشی از انرژی تولید شده بوسیله ترمز را احیا و ذخیره می‌کند تا نیروی اضافی برای موتور کشش الکتریکی فراهم شود.
مبدل DC/DC:
این دستگاه برق DC ولتاژ بالاتر را از بسته باتری کششی به برق DC با ولتاژ پایین مورد نیاز برای راه اندازی لوازم جانبی خودرو و شارژ مجدد باتری کمکی تبدیل می‌کند.
موتور کششی الکتریکی (FCEV):
این موتور با استفاده از نیروی پیل سوختی و بسته باتری کششی، چرخ‌های خودرو را به حرکت در می‌آورد. برخی از وسایل نقلیه از ژنراتورهای موتور استفاده می‌کنند که هم عملکرد محرک و هم عملیات بازسازی را انجام می‌دهند.
ذخیره‌ساز پیل سوختی:
مجموعه‌ای از الکترودهای غشایی مجزا که از هیدروژن و اکسیژن برای تولید برق استفاده می‌کنند.
پرکننده سوخت:
یک نازل از یک توزیع‌کننده سوخت هیدروژن به مخزن خودرو متصل می‌شود تا باک را پر کند.
مخزن سوخت (هیدروژن):
تا زمانی که پیل سوختی به گاز هیدروژن نیاز داشته باشد، آن‌را را در داخل خودرو ذخیره می‌کند.
کنترل کننده الکترونیک قدرت (FCEV):
این واحد جریان انرژی الکتریکی تحویل شده توسط پیل سوختی و باتری کششی را مدیریت می‌کند و سرعت موتور کشش الکتریکی و گشتاور تولیدی آن را نیز کنترل می‌کند.
سیستم حرارتی (خنک کننده) – (FCEV):
این سیستم محدوده دمای مناسب برای عملکرد درست پیل سوختی، موتور الکتریکی، الکترونیک قدرت و سایر اجزا را حفظ می‌کند.
گیربکس (برقی):
گیربکس، نیروی مکانیکی را از موتور کشش الکتریکی برای به حرکت درآوردن چرخ ها منتقل می‌کند.
تولید هیدروژن
از آنجایی که هیدروژن مانند سوخت‌های فسیلی در مخازن یا ذخایر طبیعی یافت نمی‌شود، باید از گاز طبیعی یا زیست توده یا الکترولیز از آب تولید شود. یکی از مزایای انرژی هیدروژنی، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای است.
هیدروژن می‌تواند از سوخت‌های فسیلی مانند گاز طبیعی تولید شود، اما این امر منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود و در نتیجه مزایای زیست محیطی را حذف یا به حداقل می‌رساند.
پیل‌های سوختی هیدروژنی چگونه کار می‌کنند؟
یک سلول سوختی هیدروژن انرژی شیمیایی بالقوه را با استفاده از غشای تبادل پروتون (PEM) که از گاز هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) استفاده می کند، به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. با این حال، از آنجایی که اکسیژن به راحتی در اتمسفر در دسترس است، سلول سوختی فقط باید با هیدروژن مورد نیاز برای تامین انرژی خودرو تامین شود. پیل‌های سوختی هیدروژنی از یک کاتد با بار منفی و یک آند با بار مثبت تشکیل شده‌اند که با یک الکترولیت در تماس هستند. الکترولیت غشای تبادل پروتون است. گاز هیدروژن در سمت آند وارد پیل سوختی می‌شود و با فشار وارد کاتالیزور می‌گردد. PEM تنها یون‌های دارای بار مثبت را منتقل می‌کند. آند الکترون‌هایی را که از مولکول‌های هیدروژن آزاد شده‌اند، از طریق یک مدار خارجی منتقل می‌کند. این الکترون‌ها قدرت راندن موتور الکتریکی، لامپ‌ها و غیره را فراهم می‌کنند.
در همین حال، اکسیژن از سمت کاتد به کاتالیزور وارد می‌شود، جایی که بار منفی اتم‌ها، اتم‌های هیدروژن را که از مدار خارجی رانده شده‌اند، قبل از ترکیب مجدد یون‌های هیدروژن و اکسیژن برای تشکیل آب، جذب می‌کند.
معادله پیل سوختی هیدروژنی زیر این فرآیند را نشان می‌دهد:
O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O
2H2 → 4H+ + 4e–
2H2 + O2 → 2H2O (واکنش خالص)
سلول‌های سوختی هیدروژنی متفاوت هستند و از مواد مختلفی برای کاتالیزور استفاده می‌کنند که عمدتا از نانوذرات پلاتین هستند.
مزایا و معایب پیل‌های سوختی هیدروژنی
پیل های سوختی هیدروژنی علاوه بر راندمان بیشتر، قطعات متحرک کمتری نیز دارند. این راندمان بیشتر به این دلیل است که انرژی پتانسیل شیمیایی مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. انتشار اگزوز یا خروجی از پیل سوختی هیدروژنی در این خودروها تمیزتر از موتورهای سنتی است، زیرا آن‌ها به‌جای انبوهی از گازهای گلخانه‌ای فقط آب و مقداری گرما منتشر می‌کنند. چالش بزرگ در خصوص استفاده از خودروهای هیدروژنی، گران بودن تولید پیل‌های سوختی هیدروژنی آن است. با توسعه این فناوری اکنون عمر مفید پیل‌های سوختی با سایر وسایل نقلیه، قابل مقایسه است. به کمبود تقاضا برای خرید این خودروها و قیمت‌های بالای برای تهیه خودروهای هیدروژنی نیز از جمله معایب این خودروها می‌باشد.
ذخیره سازی هیدروژن
نگرانی‌هایی در مورد ذخیره‌سازی هیدروژن در خودروها مطرح شده است. هنگامی که گاز به داخل خودرو پمپ می‌شود، گاز در یک سیلندر فشار بالا نگه داشته می‌شود که باعث بروز خطرات ایمنی ناشی از ذخیره گاز قابل اشتعال در خودرو می‌باشد. با این حال، تمام خودروهای موجود در بازار نیاز به گذراندن تست‌های ایمنی دارند.
علاوه بر مخازن سوخت وسایل نقلیه و مسائل مربوط به حمل و نقل، هیدروژن باید در ایستگاه‌های سوخت ذخیره شود. انرژی اشتعال کم، همراه با انرژی احتراق بالای هیدروژن و این واقعیت که گاز تمایل به نشت از مخازن دارد، منجر به انفجار در ایستگاه‌های سوخت هیدروژن خواهد شد که می‌بایست قبل از استفاده گسترده از وسایل نقلیه هیدروژنی مورد توجه قرار گیرند.
زیرساخت هیدروژن
به منظور تبدیل خودروهای پیل سوختی هیدروژنی به حمل و نقل آینده، نیازمند بهبود زیرساخت وسایل نقلیه می‌باشد. ایجاد زیرساخت برای مطابقت با نیازهای مصرف‌کننده می‌تواند پرهزینه باشد، حتی اگر جایگاه‌های سوخت هیدروژن خانگی ارائه شود.
کدها و استانداردها
یکی دیگر از عواملی که می‌تواند استفاده گسترده از هیدروژن را به تاخیر بیندازد، کدها و استانداردهای لازم برای ایمنی و ذخیره سازی گاز است.
تفاوت خودرو هیدروژنی و الکتریکی
اتومبیل‌های هیدروژنی بسیار مشابه مربوط به وسایل نقلیه الکتریکی (EV) هستند، مانند عدم انتشار آلاینده‌های محیطی. برتری اصلی خودروهای هیدروژنی در سرعت سوخت‌گیری و کیلومتر پیمایش آن‌ها نسبت به خودروهای الکتریکی است.
سرعت خودرو هیدروژنی
مانند هر خودروی دیگری، برخی از خودروهای هیدروژنی سریعتر از بقیه هستند. به عنوان مثال، تویوتا میرای، 9.1 ثانیه طول می کشد تا به سرعت 96 کیلومتر در ساعت برسد، اما خودروH2 Speed می‌تواند تنها در 3.4 ثانیه به همان سرعت برسد. به‌علاوه، H2 Speed می‌تواند به حداکثر سرعت 186 مایل در ساعت (299 کیلومتر در ساعت) برسد که نشان می‌دهد خودروهای هیدروژنی توانایی رانندگی سریع را دارند.
