כיצד פועל מנוע מימן?

מנועי מימן ממשיכים להיות אחד ההימורים העתידיים של תעשיית הרכב. פעולתו העניקה לו שורה של יתרונות, ושמרה אותו על פני המים למרות כישלונותיו. לשם כך, טויוטה, ב.מ.וו, מאזדה, יונדאי, פורד ומותגים נוספים השקיעו רבות בטכנולוגיה זו. מנועים המשתמשים במימן כוללים מנועי בעירה פנימית ומנועי המרת תאי דלק. הרבה אנשים לא יודעים איך עובד מנוע מימן והיתרונות והחסרונות שלהם.

מסיבה זו, אנו הולכים להקדיש מאמר זה לספר לכם כיצד פועל מנוע מימן שלב אחר שלב, מה המאפיינים שלו וחשיבותו לעולם המוטורי.

כיצד פועל מנוע בעירת מימן?

מנועים אלה משתמשים במימן בתור בנזין. כלומר, הם שורפים אותו בתא בעירה כדי ליצור פיצוץ (אנרגיה קינטית וחום). מהסיבה הזו, ניתן להתאים מנועי בנזין רגילים לשריפת מימן בנוסף לגפ"מ או CNG.

פעולתו של מנוע זה דומה מאוד לזו של מנוע בנזין. מימן משמש כדלק וחמצן כמחמצן. התגובה הכימית מתחילה על ידי ניצוץ ומצת יכול לייצר ניצוץ. למימן אין אטומי פחמן, אז התגובה היא ששתי מולקולות מימן מתחברות עם מולקולת חמצן אחת, ומשחררות אנרגיה ומים.

התוצאה של התגובה הכימית שלו היא פשוט אדי מים. עם זאת, מנועי בעירת מימן מייצרים כמה פליטות במהלך פעולתם. לדוגמה, כמויות קטנות של NOx מהאוויר וחום מתא הבעירה, או פליטות משריפת שמן דרך טבעות הבוכנה.

מכיוון שמימן הוא גז, הוא מאוחסן במיכל בלחץ של 700 בר. זה גבוה פי 350 עד 280 מלחץ צמיגי רכב רגיל. (2 עד 2,5 בר). אם כי יש גם מכוניות האוגרות מימן בצורה נוזלית בטמפרטורות נמוכות מאוד, כפי שמוצג להלן.

מנועי בעירה מימן מציעים כמה יתרונות מעניינים על פני מנועי בעירה רגילים. לדוגמה, הם יכולים תיאורטית להשתמש בתערובות עדינות מאוד (למבדה קרוב ל-2). כלומר, הם יכולים להשתמש במעט מאוד דלק כדי להשתמש בכל האוויר הנכנס ולהיות יעילים מאוד.

דוגמה לאופן שבו פועל מנוע בעירת מימן

דוגמה טובה למנוע מימן היא ב.מ.וו 750hl, שהגיעה לשוק בשנת 2000. למרות שזהו למעשה מנוע בנזין של ב.מ.וו, הוא גם מסוגל לשרוף מימן.

עם זאת, יש לו כמה חסרונות: ראשית, הוא אוגר מימן בצורה נוזלית. זה דורש מיכל יקר מאוד העשוי מחומרים מה מגזר התעופה והחלל כדי לשמור על הטמפרטורה שלו מתחת ל-250ºC. ניתן להשיג זאת רק תוך 12 עד 14 ימים, שבמהלכם המימן מתאדה בהדרגה ומשתחרר בבטחה לאטמוספירה. החיסרון השני הוא שבשימוש במימן אתה מאבד הרבה כוח ויעילות. BMW Hydrogen 7 המאוחרת משנת 2005 פתרה חלקית את הבעיות הללו והגדילה את לחץ המימן ל-700 בר מבלי לשמור אותו קר.

דוגמה טובה נוספת היא מנוע המימן Aquarius. מנוע דלק מאובנים שפותח על ידי חברה ישראלית המתאים לשימוש במימן. הגרסה הפונקציונלית הראשונה הוצגה ב-2014 ומאז הופיעה גרסה מתוקנת ומשופרת. לדברי מפתחיו, הוא יכול לעבוד ללא שמן סיכה ויש לו מערכת חילופי גז להפחתת פליטת NOx.

בנוסף, מנוע הבעירה הפנימית של מימן קל ובעל חלקים מעטים, מה שהופך אותו לזול לייצור. זה יכול לשמש כמאריך טווח לרכבים חשמליים או כגנרטור לרשת.

כיצד פועל מנוע תאי דלק מימן?

שמו המלא הוא מנוע מימן שהוסב לתא דלק. למרות המילה "דלק", הם לא שורפים מימן. הם משתמשים בו כדי לייצר חשמל בתהליך הפוך של אלקטרוליזה. זו הסיבה שהם נושאים סוללות לתגובות כימיות, כמו במנוע בעירה מימן, שם מימן מאוחסן במיכלים בלחץ של 700 בר.

רק שבמקום להזין אותו למנוע, הוא עובר דרך האנודה והקתודה (כמו סוללה) לתא הדלק. כשהם שם, גז מימן (H2) עובר דרך הממברנה ומפרק אותו לשני יוני מימן. מימן ושני אלקטרונים חופשיים. אלקטרונים אלו עוברים מהאנודה לקתודה של הסוללה דרך מעגל חיצוני, ויוצרים זרם חשמלי. יוני המימן המיוצרים מתחברים עם חמצן מהאוויר ויוצרים מים.

מסיבה זו, מנוע תאי דלק מימן הוא אפס פליטות, שכן הוא אינו מייצר NOx או את הגזים הנוצרים בעת שריפת נפט כמו מנוע בעירה פנימית. הדיאפרגמות המשמשות במנועים אלו עשויות פלטינה והן יקרות. עם זאת, יש עבודה כדי לטפל בעלות הגבוהה הזו. לדוגמה, באוניברסיטה הטכנית של ברלין פיתחו סגסוגת ברזל שאם יוכנסה לייצור תוכל להוזיל מאוד עלויות.

חסרונות של מנועי מימן

• זרזים המשמשים בתגובות כימיות של מנועי תאי דלק מימן עשויים מחומרים יקרים, כגון פלטינה. לפחות עד שיוחלף בחלופה זולה יותר, כמו זו שהוזכרה ב-TU ברלין.
• כדי להשיג מימן, יש לעשות זאת על ידי תהליכים תרמוכימיים של דלקים מאובנים או על ידי אלקטרוליזה של מים, הדורשת צריכת אנרגיה. הביקורת העיקרית על מנועי מימן, מכיוון שניתן לאחסן את החשמל ישירות בסוללה של רכב חשמלי לשימוש.
• ברגע שהמימן מתקבל, יש להכניס לתא או למיכל לחץ. תהליך זה דורש גם הוצאה אנרגטית נוספת.
• סוללות מימן יקרות לייצור וצריכות להיות עמידות מאוד כדי לעמוד בלחצים הגבוהים שבהם יש לאחסן מימן.

היתרונות של מנועי מימן

• סוללות מימן קלות יותר מסוללות רכב חשמלי. לכן השימוש בו בהובלה כבדה נחקר כחלופה למשאיות חשמליות סוללות. כדי להיות מסוגלים לעבור מרחקים גדולים, הם כבדים מאוד.
• כיום, טעינת מימן מהירה יותר מטעינת מצבר לרכב חשמלי.
• בניגוד לרכבים חשמליים בסוללות, רכבי תאי דלק מימן אינם דורשים סוללות גדולות. לכן, הוא דורש פחות ליתיום או חומרים אחרים שעלולים להיות במחסור. מנועי בעירה פנימית של מימן אינם דורשים ישירות סוללות ליתיום או סוללות דומות אחרות.
• תאי דלק יכולים להאריך את חיי המכונית. בניגוד לסוללות, שהחלפתן יקרה בשל גודלן וקיבולתן. הסוללות הקשורות למנועי מימן קטנות יותר ולכן זולות יותר להחלפה.
• בהשוואה למנועי דלק מאובנים, מנועי תאי דלק מימן משתמשים במנועים חשמליים ולכן הם שקטים מאוד.

אוטונומיה

החיסרון של מנועי מימן הוא שהמכלים או תאי הדלק שלהם חייבים להכיל מימן בלחצים גבוהים מאוד. לכן, נקודת האספקה ​​חייבת לעמוד גם בלחץ של 700 בר שהיא תומכת בו.

זה מצריך בניית תשתית אספקה ​​כדי להיות מסוגל לתדלק סוג זה של רכב. עם זאת, יש לו אותן בעיות כמו כלי רכב חשמליים טהורים. עם זאת, פעולת התדלוק מהירה בהרבה מאלה, שכן היא זהה לרכב גפ"מ או GLC.

למכוניות המצוידות כיום במנועי תאי דלק מימן יש טווח דומה לבנזין. לדוגמה, טויוטה מיראי הכריזה על 650 ק"מ עם סוללה מלאה, יונדאי נקסו 756 ק"מ וה-BMW iX5 Hydrogen 700 ק"מ.

אחרים כמו Hopium Machina הכריזו על טווח של 1.000 ק"מ, אם כי נתון זה יצטרך להיות מאושר כעת כשזה יקרה. בכל מקרה, האוטונומיה לא חשובה כמו הסוללה, כי התדלוק מהיר הרבה יותר. הדבר שיש לזכור הוא מספר נקודות הדלק.

הם בטוחים?

מותגים עובדים על סוג זה של מנועים במשך שנים כדי לשפר את היעילות שלהם, להפחית עלויות וכמובן להפוך אותם בטוחים כמו אלו הפועלים על דלק מאובנים.

בנוסף, תקני הבטיחות הנדרשים על ידי אירופה, ארצות הברית ויפן הם הערובה לבטיחותם של כלי רכב המונעים במימן. מיותר לציין שטויוטה מצהירה על כך מיכל הדלק של מיראי קשיח מספיק כדי להיות חסין כדורים.

האם נראה יום שבו כל המכוניות פועלות על מימן? הזמן יראה הכל. ברור שהמותגים ממשיכים להשקיע ויש לזה כמה יתרונות שהופכים אותו לאלטרנטיבה סבירה להובלה אפס פליטה.

אני מקווה שבעזרת המידע הזה תוכלו ללמוד עוד על אופן פעולתו של מנוע מימן, מאפייניו, יתרונותיו וחסרונותיו.