حصريا - شرح مفصل لتكنولوجيا مركبات خلية الوقود FCV

تكنولوجيا مركبات خلية الوقود FCV

الثورة تبدأ هنا ، أخيرا بدأ العد التنازلي لتدشين مركبات متقدمة تقنيا تعمل بخلايا الوقود ..

تقنية خلايا الوقود تعد الأقرب لتكون سيارة بيئية بالكامل ، و تعتبر خطوة مفتاحية رئيسية لايجاد حلول لقضايا الطاقة و الانبعاثات المرتبطة بالمحركات التقليدية التي تعمل بالبنزين و الديزل .

...

الآن لنأخذ جولة تقنية داخل هذه السيارات :

1- ما هي الأجزاء الرئيسية لسيارة خلية الوقود ؟



سيارة خلية الوقود تتشارك الكثير من الأجزاء مع السيارة الهجينة ، لذلك تطلق عليها بعض الشركات " سيارات هجينة تعمل بخلية الوقود " ، و بالتالي الأجزاء الرئيسية هي كالتالي :

* وحدة مجموعة خلية الوقود .
* محرك كهربائي عالي الطاقة .
* وحدة التحكم بالطاقة .
* بطارية ليثيوم أيون عالية الفولتية .
* وحدات تخزين الهيدروجين .

..................................

2- كيف تعمل مركبات خلية الوقود ؟



خلية الوقود تقوم بتحويل الوقود إلى كهرباء بواسطة إجراء تفاعل بين الوقود و الأوكسوجين بالجو .

الهيدروجين هو الوقود الأكثر شيوعا و الأكثر استخداما في خلايا الوقود هذه الأيام ، و لكن تقريبا أي هيدروكربون يحتوي على الغاز و الكحول يمكننا استخدامه .

يجب علينا تزويد خلية الوقود بالوقود و الأوكسوجين بمقدار ثابت لتغذي التفاعل المسؤول عن توليد الطاقة الكهربائية ، إذا طالما أن الوقود يتدفق للخلية فهي ستستمر في توليد الكهرباء .

من المهم الاشارة هنا إلى أن فكرة خلية الوقود ليست جديدة ، النماذج الأولى لخلية الوقود صممت في منتصف القرن التاسع عشر ، و استغرقت الفكرة أكثر من 100 عام لترى النور ، حرفيا عندما تم استخدامها في مشروع قمر أبولو لوكالة ناسا .

عملية توليد الطاقة بخلايا الوقود هي عملية عالية الكفاءة ، و صديقة للبيئة حيث أنها بلا انبعاثات ، فقط بعض الماء النقي يكون كمخرج ثانوي للتفاعل - هذه أخبار جيدة لك إذا قمت بتشغيلها بالفضاء

بالعودة للأرض ، نفس الأمور تجعل من مركبات خلية الوقود مثالية لعملية النقل المستدامة ، و هو ما يجعل معظم شركات السيارات تسعى جاهدة لاتاحتها على الطرق بأقرب وقت ممكن .

في سيارات الاستخدام اليومي ، التقنية لازالت تحت التطوير . و التي هي بجوهرها تقوم بعملية مزاوجة بين مخرجات خلية الوقود مع التكنولوجيا التي تم انشاؤها في البطاريات الهجينة ، مثل تلك التي تم تطويرها في سيارة تويوتا بريوس .

حيث تعتبر التقنية الهجينة أساس لسيارات خلية الوقود حيث قمنا فقط باستبدال محرك الاحتراق الداخلي الذي كان مصدر الطاقة الرئيسي بخلية الوقود .

فهم هذه النقطة هام لنبدأ بشرح العنصرين الذين تميزت بهما سيارة خلية الوقود عن السيارة الهجينة :

العنصر الأول هو : " وحدة خلية الوقود " :

هذه الصورة تم تصغيرها . إضغط على هذا الشريط لرؤية الصورة بحجمها الطبيعي . أبعاد الصورة الأصلية 720x527 .

تقوم خلية الوقود بتوليد الكهرباء عبر تفاعل كيميائي بين الهيدروجين و الأوكسوجين . حيث يحدث هذا بإدخال الهيدروجين عبر المصعد السالب ( negative anode ) للخلية ، و الهواء المحيط عبر المهبط الموجب ( positive cathode ) .

خلية الوقود تحوي بداخلها خلايا فردية موضوعة ضمن غشاء تجميع كهربائي ( - membrane electrode assembly - MEA ) محصور بين فواصل . غشاء التجميع الكهربائي يحتوي على غشاء من البوليمر المنحل بالكهرباء مع طبقات محفزة موجبة و سالبة على كل جانب . هكذا انتهينا من شرح تركيب الخلية الواحدة ، هذه الخلية تولد فرق جهد كهربائي دون الـ 1 فولت ( و هذا مقدار لا يكفي لعمل شيء ) ، لذلك نقوم بوصل مئات من هذه الخلايا معا على التوالي و هكذا نتمكن من زيادة الفولتية للمقدار الذي نريده . نغلف هذه الخلايا معا فينتج ما يسمى بالـحزمة ( stack ) ، و هي ما يتعارف عليه الآن بـ " وحدة خلية الوقود " .

على الرغم من أنه يمكن استعمال عناصر أخرى بخلية الوقود ، حيث يمكننا الاستفادة من كفاءة الهيدروجين العالية بانتاج الطاقة . و بما أن الهيدروجين ينتج الكهرباء دون عملية احتراق ، فإنه من الممكن تحويل ما يزيد عن 83 % من طاقة جزيء الهيدروجين إلى كهرباء ، و هي نسبة عالية جدا تعادل ضعف كفاءة الطاقة الخارجة من المحركات التي تعمل بالبترول .

...

العنصر الثاني هو : ( خزان الهيدروجين المضغوط ) :



الهيدروجين يتم تخزينة بخزان عالي الضغط كالموجود بالصورة بالأعلى ، الخزان يحتوي على عدة طبقات ، لنتعمق قليلا بتركيب الخزان :
تتيمز الطبقة الأعمق ببطانة صمغية مصنوعة من مادة الـpolyamide ، و الذي يملك قوة عالية ، و ممانعة رائعة لتسرب الهيدروجين . هذه الميزة التي أشرت لها بلون آخر مهمة جدا بسبب أننا نعلم أن القطر الذري لذرة الهيدروجين هو أصغر قطر اكتشفه العلم على الإطلاق و بالتالي فهو يميل للتسرب إلى أدنى المواد !!

علاوة على ذلك ، استخدام أمثل المواد يزيد من سعة الخزان ، و يقلل الوزن . ( تاريخيا ، أغلب المركبات الهيدروجينية تحتاج على الأقل إلى 4 خزانات هيدروجين منفصلة لتحسين السعة و بالتالي زيادة المسافة التي من الممكن قطعها ) .

هذا بامكاننا ملاحظته بالنظر لزاوية الانحناء ، و الجهد ، و الحجم ، و سماكة الكاربون فايبر المستخدم لصنع القشرة الخارجية .

...

بقية الأجزاء هي أجزاء مشتركة مع السيارة الهجينة المعروفة بالأسواق لذلك سأشرحها بشكل مختصر لاحقا ، لكن الآن لنرى كيف تولد خلية الوقود الكهرباء :



* يتم إدخال الهيدروجين إلى مصعد خلية الوقود ( القطب السالب ) .

* داخل الخلية يتم تنشيط ذرات الهيدروجين من خلال محفز موجود بالمصعد ، و هكذا ستنفصل اللالكترونات عن البروتونات .

* الالكترونات المحررة ستنتقل عبر المصعد إلى مهبط الخلية ( القطب الموجب ) - عبر دارة كهربائية - ، هذا السريان الالكتروني سيولد التيار الكهربائي .

لكن ماذا حصل للبروتونات ؟؟

* ذرات الهيدروجين التي تم فصل الكتروناتها أصبحت عبارة عن أيونات هيدروجين موجبة ، هذه الأيونات ستعبر من خلال غشاء البوليمر المنحل بالكهرباء إلى طرف المهبط .

- إذا بعد الانفصال ذهبت الالكترونات إلى المهبط عبر دارة كهربائية و ولدت تيار كهربائي ، بينما ذهبت الأيونات الموجوبة إلى المهبط عن طريق غشاء البوليمر المنحل بالكهرباء -

* الآن كما أدخلنا الهيدروجين عبر المصعد ، سنقوم بإدخال الهواء المحيط عبر المهبط ، الآن ستقوم أيونات الهيدروجين التي وصلت للمهبط بالاتحاد مع الالكترونات الموجودة على محفز المهبط ثم مع الأوكسوجين الموجود بالهواء ، فينتج هنا المخرج الثانوي للعملية و هو الماء ، حيث يعد الماء هنا بمثابة العوادم الناتجة من هذا التفاعل ، و نلاحظ أن كل نواتج العملية هي نواتج صديقة للبيئة .

* يتم نقل الكهرباء التي أنتجتها الخلية إلى المحرك الكهربائي لتوفير الحركة للسيارة .

* هناك طاقة يتم استعادتها من الفرامل ( تحول طاقة الفرملة لطاقة كهربائية بنظام ماطابق للموجود بالسيارات الهجينة ) ، و أيضا بعض الطاقة المتولدة من خلية الوقود يتم تخزينها في بطارية ثانوية عالية الفولتية ، حيث تكمل هذه البطارية الطاقة الناتجة من خلية الوقود حيث تعمل على توفير فدرة إضافية للمحرك الكهربائي .
الآن لنمر بشكل سريع على بقية الأجزاء ، و جميعها أجزاء موجودة بالسيارة الهجينة التقليدية ، لكن هناك بعض الاختلافات سيشار لها :

أولا : المحرك الكهربائي :

هذه الصورة تم تصغيرها . إضغط على هذا الشريط لرؤية الصورة بحجمها الطبيعي . أبعاد الصورة الأصلية 720x323 .

و هو الجزء المسؤول عن نقل الحركة للعجلات ، و نوعه هو " محرك يعمل بالتيار المتناوب ، و بقلب حديدي نوع مغناطيس دائم "

الاختلاف عن المركبة الهجينة هنا هو أن المحرك الكهربائي بالمركبة الهجينة يكون بداخل صندوق السرعات الموصول بمحرك الاحتراق الداخلي ، بينما هنا لا يوجد محرك احتراق داخلي ..

.....

ثانيا : وحدة التحكم بالطاقة :



و هي عقل المركبة ، حيث تتحكم بتدفق الطاقة بالمركبة ، و هنا وظائفها مطابقة تماما للمركبة الهجينة ، حيث تكون مسؤولة عن تحويل التيار المستر لتيار متردد ، و رفع الفولتية ، و غيرها ..

.......

ثالثا : البطارية عالية الفولتية :

هذه الصورة تم تصغيرها . إضغط على هذا الشريط لرؤية الصورة بحجمها الطبيعي . أبعاد الصورة الأصلية 720x425 .

بطارية مصنوعة من الليثيوم أيون ، و الاختلاف هنا أن معظم السيارات الهجينة تستخدم بطاريات مصنوعة من معدن النيكل المهدرج ، و لكن هناك عدد محدود جدا من المركبات الهجينة تستخدم بطارية الليثيوم أيون مثل بلج-ان تويوتا بريوس ،و هيونداي سوناتا هايبرد .

كلا النوعين يقوم بنفس الوظائف ، إلّا أن ما يميز بطاريات الليثيوم أيون أنها أخف و زنا و أصغر حجما و تملك كفاءة أعلى و عمرها أطول .

.........

أحدث ما توصلت له الشركات في ما يتعلق بهذه التقنية :

برزت شركتين بهذا المجال و قدمتا نماذج شديدة التطور أحدهما بمعرض طوكيو الدولي و الآخر بمعرض لوس أنجلوس ، هذه النماذج تبشر بقرب انتاج هذه السيارات تجاريا أكثر من أي وقت مضى ، و لكن لازالت هناك مشاكل بحاجة لحل سأشير لها بنهاية المقال :

السيارة الأولى هي : TOYOTA FCV CONCEPT



هذه السيارة تعد تقدم تقني مذهل ، حيث تملك أقصى سعة تخزين هيدروجين بفئتها ( حوالي 5.7 كغ ) ، أيضا تملك أخفض درجة إعادة تشغيل وقود بفئة مركبات خلية الوقود ( -30 درجة )

و معدل استهلاك وقود يتجاوز الـ300 ميل / فل هايدروجين ، بالاضافة إلى تمكن تويوتا من خفض تكلفة انتاج هذه السيارة إلى ما دون الـ100 ألف دولار و هو أيضا أفضل رقم تم الوصول له للآن ، و لكنه لازال مرتفعا للغاية .

...

السيارة الثانية هي : HONDA FCEV CONCEPT



هذه السيارة تعد تطويرا لسيارة FCX-Clarity ، حيث تم تحسين بعض أرقام الأداء ، لكن أبرز ما ميّز هذه السيارة هو تمكن مهندسي هوندا من حصر كامل أجزاء السيارة بحجرة المحرك ، قد لا ترى هذا الأمر بأنه مميز جدا ، لكن بالنسبة لمهندسي الشركة فهذا يعتبر أمر بغاية الأهمية فهو يساعد على توفير مقصورة رحبة للركاب و خصوصا بالنسبة لسيارة عائلية متوسطة .

،،

هوندا أتاحت سيارة هيدروجينية لتجربتها على الطرقات حيث تقوم بتأجيرها للراغبين بتجربة هذه التقنية ، لكنها لم تعرض للبيع للآن ، طبعا أتحدث هنا عن FCX-Clarity .

هذه الصورة تم تصغيرها . إضغط على هذا الشريط لرؤية الصورة بحجمها الطبيعي . أبعاد الصورة الأصلية 720x343 .

.....................

أسعار الهيدروجين :

هذه الصورة تم تصغيرها . إضغط على هذا الشريط لرؤية الصورة بحجمها الطبيعي . أبعاد الصورة الأصلية 720x480 .

تقاس سعة خزان الهيدروجين بالسيارة بالـ kg ، و تتراوح السعة القصوى خزان الوقود بالسيارة من 4kg إلى 5.7kg ، و تستطيع السيارة قطع مسافة تتراوح بين 450 – 600 km حسب نوع السيارة .
تسعيرة الهيدروجين أيضا تختلف باختلاف المصدر المستخرج منه ، لكنة بالمتوسط حوالي 5.5 دولار / كغ .

.....................

المميزات :

هذه الصورة تم تصغيرها . إضغط على هذا الشريط لرؤية الصورة بحجمها الطبيعي . أبعاد الصورة الأصلية 720x366 .

- الاستغناء تماما عن البترول .
- لا يوجد أي انبعاثات ضارة ، حيث تكون مخرجات العادم بخار ماء و حرارة فقط .
- ثبات السيارة أعلى من السيارة العادية لغياب محرك الاحتراق و الذي يصدر اهتزازات تؤثر سلبا على ثبات السيارة .
- نعومة صوت المحرك ، و نعومة انطلاقة السيارة .

.................................................. ..

أبرز التحديات التي منعت انتاج السيارة بشكل تجاري :

هذه الصورة تم تصغيرها . إضغط على هذا الشريط لرؤية الصورة بحجمها الطبيعي . أبعاد الصورة الأصلية 720x450 .

- الهيدروجين النقي يتم انتاجه صناعيا ، و لكن استخراجه يستهلك طاقة . و إذا كانت هذه الطاقة قادمة من مصادر غير متجددة ، فإن سيارات خلية الوقود ليست نظيفة كما تبدو ، لذلك حاليا هناك أبحاث مكثفة لايجاد طريقة لاستخراج الهيدروجين من مصادر طاقة متجددة .

- ضعف البنية التحتية . محطات تعبئة الوقود بحاجة للاستثمار قبل أن تكون قادرة على تزويد سيارات خلايا الوقود بالهيدروجين لتصبح هذه السيارات عملية . و من غير المرجح أن تفعل ذلك كثير من محطات الوقود في حين وجود عدد قليل جدا من العملاء على الطرق اليوم .

- بالإضافة إلى ضعف البنية تحتية ، تأتي مشكلة التكلفة المرتفعة جدا لهذه التكنولوجيا ، حتى عند مقارنتها بالسيارات الكهربائية ، أو سيارات محركات الاحتراق ، و هذه تعد أبرز مشكلة يسعى صانعوا السيارات لحلها ، فعند بدء أبحاث هذه التقنية ببداية التسعينات كانت السيارة الواحدة تكلف أكثر من 10 مليون دولار ، ثم استمر التطوير حتى نجحوا عام 2009 بخفض التكلفة إلى 1 مليون دولار ، ثم في هذا العام أعلنت تويوتا أنها نجحت بخفض التكلفة إلى ما دون الـ100 ألف دولار ، و لازالت الأبحاث مستمرة للوصول إلى ما دون الـ50 ألف دولار .

.................................................. .

أخيرا كما يقولون الصورة أبلغ من 1000 كلمة ، أو كما أٌقول أنا الفيديو أبلغ من 1000 صورة

فيديو شرح سريع :

<iframe width="640" height="360" src="//www.youtube.com/embed/qzBu7_Cu1N4?feature=player_embedded" frameborder="0" allowfullscreen></iframe>

.................................................. ..

يرجى عدم النقل دون ذكر الكاتب و المصدر

أخوكم :
_______
مواضيع مشابهة أو ذات علاقة بالموضوع :