با پیشرفت سریع تکنولوژی در صنعت خودرو گمان ها بر این است که نسل آینده خودروها را محصولات هیدروژنی یا الکتریکی تشکیل خواهد داد. ما در این مقاله قصد داریم شما را با خودوری هیدروژنی آشنا سازیم و به دانستنی های جالب درباره آن بپردازیم. همراه ما باشید.

اگر از علاقمندان به دنیای مدرن اتومبیل ها هستید احتمالا با نام خودرو هیدروژنی آشنا هستید. تصورات بر این است که این نوع خودرو می تواند جایگزین خوبی برای اتومبیل های بنزینی در نسل های آینده باشد. از این رو قصد داریم در ادامه مطلب به نحوه کارکرد و مزیت های خودرو هیدروژنی بپردازیم.

از نحوه کارکرد و مزیت های خودروی هیدروژنی چه می دانید؟

خودروی هیدروژنی یکی دیگر از نسل های آینده اتومبیل ها می باشند که تاکنون مورد آنالیز و ارزیابی های مختلفی قرار گرفته اند. پس از گذشت چندین دهه از معرفی نخستین خودروی جهان که با چوب تولید شده بود امروزه شاهد حضور اتومبیل های خارق العاده ای در سطح دنیا هستیم که بی تردید دیدن بعضی از آن ها می تواند تا ساعت ها ذهن را به خود مشغول سازد. به این خاطر که خودروهای امروزی طراحی بسیار متفاوت و خاص تری از تخیلات و انتظارات گذشته در این زمینه را دارند.

شرکتهای خودروسازی مختلفی در سطح جهان سعی در تولید خودروهایی با کاربردهای گوناگون برای عموم مردم دارند که از مهمترین آن ها مشکلات این روزهای اتومبیل ها یعنی آلودگی ناشی از سوخت های بنزینی و دیزلی می باشد که گرم شدن زمین را به دنبال دارد. از این رو برخی مواقع گرما تاحدی آزاردهنده می شود که استفاده از ماسک های مخصوص نیز نمی تواند تنفس را آسان نماید. به این خاطر نسل آینده اتومبیل های برخی از شرکت های جهانی خودروهای الکتریکی یا هیدروژنی خواهد بود. اما این که کدامیک می تواند جایگزین خودروهای بنزینی باشد هنوز مشخص نیست.

یکی از معدود خودروهای هیدروژنی دنیا میرای نام دارد که به تولید انبوه رسیده و همزمان در بازار کشور ژاپن و آمریکا به فروش می رسد. نبود جایگاه های عرضه سوخت هیدروژنی در سراسر دنیا و بالارفتن تقاضا برای نسخه های الکتریکی تا حدودی از محبوبیت خودروهای پیل سوختی کاسته است و برندهای معتبر تمایل چندانی به سرمایه گذاری و ریسک در ساخت این محصولات ندارند. با این وجود تویوتا همچنان به فناوری پیل سوختی و خودروهای FCV خود پافشاری دارد. اولین نسخه میرای در سال ۲۰۱۴ به بازار معرفی شد. این خودرو تاکنون بر روی خط تولید تویوتای ژاپن قرار دارد و با پیشرانه ای با توان ۱۵۲ اسب بخار و گشتاور ۳۳۵ نیوتن متر تولید می شود. شتاب صفر تا صد خودرو ۹ ثانیه و حداکثر سرعت آن ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت اعلام شده است. میرای همراه با تخفیف های متنوع و سوخت رایگان به مدت طولانی در کشورهای متعدد به فروش می رسد. با این مقدمه قصد داریم در ادامه شما را با خودروهای هیدروژنی کاملا آشنا نماییم تا از عملکرد و مزیت این نوع خودروها بیشتر بدانید.

مفهوم خودرو هیدروژنی

هیدروژن نسبت به بنزین و گازوئیل راندمان بالاتری داشته و استفاده از آن هم در مقایسه با خودروهای الکتریکی فعلی آسان تر می باشد. بعد ازخودروهای هیبریدیو الکتریکی خودروسازان پیشرو جهان تصمیم به عرضه تجاری خودروهایی مبتنی بر سوخت هیدروژنی گرفتند. منظور از خودرو هیدروژنی وسایل نقلیه ای می باشد که سوخت مصرفی موتور آن ها را هیدروژن تشکیل می دهد. پیشرانه های هیدروژنی در وسایل پرتاب راکتهای فضایی، اتومبیل ها و دیگر وسیله های نقلیه مورد استفاده قرار می گیرند. موتور اتومبیل های هیدروژنی، انرژی شیمیایی هیدروژن را به انرژی مکانیکی تبدیل نموده یا با سوزاندن هیدروژن در یک پیشرانه درون سوز این قدرت را فراهم می آورند.

استفاده وسیع از هیدروزن جهت سوخت رسانی در حمل و نقل یکی از عناصر شاخص در اقتصاد هیدروژن به شمار می رود. همانطور که پیشتر اشاره شد کمپانی تویوتا قبل از همه خودروسازان به گسترش خودروهای هیبریدی اصرار ورزید و در مورد فناوری سوخت هیدروژنی در خودروها نیز همچنان تاکید دارد.

این شرکت با بازنگری در خودروی میرای خود به نوعی بر روی پیشبرد فناوری آلایندگی صفر هیدروژنی پافشاری می کند در حالی که هنوز نه زیر ساخت آن در جهان فراهم شده و نه قیمت تمام شده خودرو منطقی و مقرون به صرفه است. با توجه به این که دولت ژاپن طرفدار سوخت هیدروژنی و پیل های سوختی می باشد اما هنوز هم بازار خودروهای هیدروژنی بازاری خا محسوب می شود و علت آن نبود جایگاه سوختگیری هیدروژن به اندازه کافی است. ضمنا دو مانع احتمال انفجار و کاهش شدید قیمت دست دوم خودروها وجود دارد. خودروی هیدروژنی نیروی خود را از سوزاندن هیدروژن و تبدیل آن به آب تامین می نماید ولی مشکل ذخیره هیدروژن اصلی ترین دردسر ساخت این خودرو بوده ولی بازهم می تواند از خودروی الکتریکی بهتر باشد.

تفاوت خودرو هیدروژنی و الکتریکی

به اتومبیل هیدروژنی در مواردی اتومبیل مجهز به باتری (Battery electric vehicle) هم اطلاق می شود . با این وجود در خودروی الکتریکی نیروی لازم توسط باتری تامین می شود و در خودروی هیدروژنی نیروی لازم توسط هیدروژن و اکسیژن فراهم می شود که این گروه از اتومبیل ها نیز به باتری مجهز شده اند و هنگامیکه برق تولید می شود و خودرو در حال حرکت است باتری حضور یافته در خودرو شروع به شارژ شدن کرده واین باتری نسبت به باتری موجود در اتومبیل های الکتریکی کوچکتر است. در خودرو الکتریکی و برقی محدودیت رانندگی وجود دارد و موقعی که باتری اتومبیل در حال شارژ است طی محدوده تعیین شده خاموش می شود و باید به برق متصل باشد تا شارژ شود از این رو تایم طولانی را باید صبر کنید تا به حرکت خود ادامه دهید.

ولی چنین موضوعی در مورد خودرو هیدروژنی وجود ندارد و می توانید مانند خودروهای بنزینی در جایگاه سوخت مخصوص کپسول های خودرو را پر کرده و به همراه حرکت اتومبیل با هیدروژن باتری و موتور الکتریکی آن هم شارژ بشود. به این طریق شما دو اتومبیل در اختیار دارید که با تمام شدن سوخت اول همچنان به حرکت خود توسط سوخت دوم ادامه دهید. به عبارت دیگر بری استفاده از خودروی برقی مانند تسلا باید زمان زیادی صرف شارژ کامل خودرو نمود در صورتی که سوختگیری اتومبیل هیدروزنی کمتر از ۵ دقیقه زمان می برد. تنها راهکار برای تامین سریع انرژی الکتریکی در خودرو برقی تعویض باتری هاست که با توجه به قیمت بالای باتری امر عاقلانه ای نیست.

کارکرد خودرو هیدروژنی

همانطور که پیشتر اشاره شد اتومبیل هیدورژنی نظیر خودروهای بنزینی در جایگاه های سوخت سوختگیری نموده با این فرق که دیگر سوخت فسیلی در کار نبوده و از طریق جایگاه مخصوص هیدروژن سوختگیری می نمایند. با پر شدن کپسول موجود در خودرو سوخت وارد قسمت full cell stack شده که این قسمت از دو بخش منفی و مثبت تشکیل شده و توسط الکترولیت از هم جدا شده است. هیدروژن وارد بخش منفی شده و قسمت مثبت نیز یون های اکسیژن را وارد نموده و در ادامه منفی موجب رها شدن الکترون ها از هیدروژن شده و در آخر جذب مثبت می شوند و با اکسیژن کنش برقرار کرده و در نهابت با تبدیل شدن به مولکول آب عملیات قدرتی خودرو را موجب می شوند.

تکنولوژی موتور هیدروژنی بسیار پیچیده می باشد و در حال حاضر تاسیسات سوخت رسانی چنین خودروهایی خیلی گران قیمت هستند اما تاکنون دو راه برای استفاده از هیدروژن در خودروها پیشنهاد شده است که اولی استفاده از پیل سوختی و دیگری موتورهای درون سوز هیدروژنی می باشد. باتری مورد استفاده در خودروهای پیل سوختی هیدروژن/اکسیژن می باشد. برعکس باتری های معمول باتری های هیدروژنی ساختاری بسته پر از مواد شیمیایی ندارند و می توان آن ها را با گاز هیدروژن شارژ نمود. برخی از باتری های علاوه بر هیدروژن توانایی کار با گازهای دیگری مانند متان و بنزین را دارند ولی این موارد در کاربردهای محدود صنعتی نظیر نیروگاه ها یا لیفتراک ها دیده می شود.

همانند باتری های معمول؛ باتری های سوختی نیز دارای قسمت های منفی(آند)، مثبت(کاتد) و الکترولیت می باشند. غالب اتومبیل های هیدروژنی مانند تویوتا میرای و هوندا fcx کلاریتی از باتری های سوختی با الکترولی پلیمری استفاده می کنند. این نوع باتری ها به اختصار PEMFC نامیده می شوند و جهت استفاده در انواع وسیله نقلیه توسعه پیدا کرده اند. در پیل سوختی هیدروژن با فشار از داخل کاتالیزرو پلاتینیوم عبور کرده و با گذشتن از این مرحله مرحله دو یون و دو الکترون حاصل می شود. الکترون های حاصله در فرایند قدرت بخشی به موتور مورد استفاده قرار گرفته و یون ها نیز با اکسیژن ترکیب شده و به صورت بخار آب از اگزوز اتومبیل بیرون می روند.

اگر هدف از تولید اتومبیل هیدروژنی تولید یک جرقه سبز بدون آلودگی باشد هیدروژن باید از راههایی تامین شود که محیط زیست را آلوده نسازد. ولی تولید هیدروژن فرایند بسیار دشواری می باشد و بهترین راه جهت تولید گاز هیدروژن استفاده از الکترولیز آب می باشد. این روش بهینه نبوده و هزینه یک کیلوگرم هیدروژن بالا می باشد. روش دیگر تغییر ساختار گاز طبیعی می باشد ولی نکته منفی آن ایجاد آلودگی است. در این روش دمای بخار آب به ۷۰۰-۱۰۰۰ درجه سانتی گراد می رسد تا بخار با گاز متان مخلوط شده و نتیجه آن مونوکسید کربن و هیدروژن به همراه کمی دی اکسید کربن است.

جایگاه های سوخت هیدروژنی

اتومبیل های هیدروژنی مانند دیگر خودروها برای تامین نیروی مورد نیاز خود به حضور ایستگاه هایی در فواصل معین نیاز دارند ولی در حال حاضر تعداد ایستگاه های عرضه سوخت هیدروژنی کم بوده و در فواصل زیادی نسبت به هم قرار دارند. از دلایل کمبود جایگاه سوخت هیدروژنی می توان به عدم تقاضا و ضمنا گران بودن هزینه تاسیس چنین جایگاه هایی اشاره نمود.

ساخت ایستگاه های شارژ خودروی برقی هزینه چند ده دلاری دارد ولی در مورد ایستگاه های سوخت هیدروژنی به خاطر چالش های انتقال هیدروژن مایع هزینه ای فراتر از یک میلیون دلار دارد. تاکنون حدود ۵۰ ایستگاه شارژ هیدروژنی در امریکا وجود دارد که ۲۳ عدد آن در ایالت کالیفرنیا می باشد. علت هزینه بر بودن تجهیزات نگهداری هیدروژن مایع این است که تانکر در نظر گرفته شده برای این کار باید در دمای ۲۵۰ درجه زیر صفر نگهداری شود و نمی توان چنین مخزنی را مانند مخازن بنزین و گازوئیل زیر زمین دفن کرد. این تانکر باید بر روی زمین و دور از پمپ ها قرار بگیرد سپس هیدروژن موجود در مخزن به برج های فشرده سازی وارد شده و بعد به مخازن کوچکتر منتقل شود.

جهت سوختگیری خودروی هیدروژنی نخست باید رابط اول را برای اندازه گیری میزان هیدروژن لازم به محل مدنظر روی خودرو متصل کرده و بعد از اندازه گیری برای سوخت گیری، نازل هیدروژن به مکان مدنظر متصل شده که توسط قفل مخصوص به ورودی باک اتصال می یابد. میزان فشار هیدروژن ورودی به خودروی مورد نظر بستگی دارد ولی برخی از خودروها با هر دو فشار ۳۵۰ و ۷۰۰ بار پر خواهند شد.

مزیت های خودروی هیدروژنی

اصلی ترین و مهمترین مزیت خودروهای هیدروژنی نسبت به خودروهای پاک دیگر را می توان به تایم کم سوختگیری آن اشاره کرد. به این معنی که در کمتر از ۵ دقیقه خودرو سوختگیری می شود ولی در نسخه S تسلا حداقل ۲۰ دقیقه زمان احتیاج دارد تا به اندازه نصف مقدار رنج حرکتی خودروی هیدروژنی شارژ شود. ضمنا با احتساب تولید هیدروژن از روش های پاک، اتومبیل هیدروژنی نسبت به نمونه های برقی بسیار پاک تر می باشد و خودروسازان این موضوع را دلیل اصلی و منطقی برای مهاجرت به این اتومبیل ها عنوان می کنند. از لحاظ عملکرد، تمایزی بین خودروی برقی و هیدروژنی دیده نمی شود چرا که هردو از حضور یک نوع موتور الکتریکی برای حرکت بهره می برند و فقط نوع تامین انرژی در هر دو خودرو متفاوت است.

تویوتا وعده داده میرای بتواند تا ۷۰۰ کیلومتر را تنها با یکبار سوختگیری بپیماید. با توجه به ظرفیت باتری های لیتیوم یونی بکار رفته در اتومبیل ها می توان بهره گیری از پیل های سوختی را گزینه بهتری برای خودروهای شاسی بلند و وانت ها قلمداد کرد به این خاطر که این باتری ها خیلی سنگین تر از انکر مورد نیاز برای ذخیره هیدروژن می باشند. از مزایای خودروهای پیل سوختی نسبت به پیشرانه های بنزینی دامنه حرکتی بیشتر با یک بار سوختگیری و سرعت بالاتر می باشد که این موضوع با گذشت زمان بهتر هم می شود. در پایان از اصلی ترین چالش های پیش روی خودروی های هیدروژنی می توان به هزینه بالای تولید هیدروژن نسبت به الکتریسیته اشاره کرد ضمنا تولید هیدروژن با آلودگی هایی همراه است که پیشتر بیان شد.

منبع : آرگا