เครื่องยนต์ไฮโดรเจนทำงานอย่างไร?

เครื่องยนต์ไฮโดรเจนยังคงเป็นหนึ่งในการเดิมพันในอนาคตของอุตสาหกรรมยานยนต์ การทำงานของมันทำให้มีข้อดีหลายประการ ทำให้มันลอยได้แม้จะล้มเหลวก็ตาม ด้วยเหตุนี้ Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford และแบรนด์อื่น ๆ ได้ลงทุนอย่างมากในเทคโนโลยีนี้ เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจน ได้แก่ เครื่องยนต์สันดาปภายในและเครื่องยนต์แปลงเซลล์เชื้อเพลิง หลายคนไม่รู้ เครื่องยนต์ไฮโดรเจนทำงานอย่างไร และข้อดีและข้อเสียตามลำดับ

ด้วยเหตุผลนี้ เราจะอุทิศบทความนี้เพื่อบอกคุณว่าเครื่องยนต์ไฮโดรเจนแบบทีละขั้นตอนทำงานอย่างไร ลักษณะเฉพาะของเครื่องยนต์คืออะไร และมีความสำคัญต่อโลกของยานยนต์อย่างไร

เครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจนทำงานอย่างไร

เครื่องยนต์เหล่านี้ใช้ไฮโดรเจนเป็นน้ำมันเบนซิน นั่นคือพวกเขาเผามันในห้องเผาไหม้เพื่อสร้างการระเบิด (พลังงานจลน์และความร้อน) สำหรับเหตุผลนี้, เครื่องยนต์เบนซินทั่วไปสามารถปรับให้เผาไหม้ไฮโดรเจนได้ นอกเหนือจาก LPG หรือ CNG

การทำงานของเครื่องยนต์นี้คล้ายกับเครื่องยนต์เบนซินมาก ไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงและออกซิเจนเป็นตัวออกซิไดซ์ ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นจากประกายไฟและหัวเทียนสามารถทำให้เกิดประกายไฟได้ ไฮโดรเจนไม่มีอะตอมของคาร์บอน ดังนั้นปฏิกิริยาคือโมเลกุลของไฮโดรเจนสองโมเลกุลรวมกันกับโมเลกุลออกซิเจนหนึ่งโมเลกุล ปล่อยพลังงานและน้ำออกมา

ผลของปฏิกิริยาเคมีเป็นเพียงไอน้ำ อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจนทำให้เกิดการปล่อยมลพิษบางส่วนระหว่างการทำงาน ตัวอย่างเช่น NOx จำนวนเล็กน้อยจากอากาศและความร้อนจากห้องเผาไหม้ หรือการปล่อยมลพิษจากการเผาน้ำมันบางส่วนผ่านวงแหวนลูกสูบ

เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นก๊าซ จึงถูกเก็บไว้ในถังที่มีแรงดัน 700 บาร์ ซึ่งสูงกว่าแรงดันลมยางรถยนต์ปกติ 350 ถึง 280 เท่า (2 ถึง 2,5 บาร์) แม้ว่าจะมีรถยนต์ที่เก็บไฮโดรเจนไว้ในรูปของเหลวที่อุณหภูมิต่ำมากก็ตาม ดังที่แสดงด้านล่าง

เครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจนมีข้อได้เปรียบที่น่าสนใจเหนือเครื่องยนต์สันดาปทั่วไป ตัวอย่างเช่น ในทางทฤษฎีสามารถใช้สารผสมที่ละเอียดมาก (แลมบ์ดาใกล้กับ 2) นั่นคือพวกเขาสามารถใช้เชื้อเพลิงเพียงเล็กน้อยเพื่อใช้อากาศที่เข้ามาทั้งหมดและกลายเป็นอย่างมีประสิทธิภาพมาก

ตัวอย่างการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจน

ตัวอย่างที่ดีของเครื่องยนต์ไฮโดรเจนคือ BMW 750hl ซึ่งออกสู่ตลาดในปี 2000 แม้ว่าจริงๆ แล้วจะเป็นเครื่องยนต์เบนซินของ BMW แต่ก็สามารถเผาไหม้ไฮโดรเจนได้เช่นกัน

อย่างไรก็ตาม มีข้อเสียหลายประการ: ประการแรก เก็บไฮโดรเจนในรูปของเหลว ต้องใช้ถังราคาแพงมากที่ทำจากวัสดุจาก ภาคการบินและอวกาศเพื่อรักษาอุณหภูมิให้ต่ำกว่า -250ºC. สิ่งนี้สามารถทำได้ภายใน 12 ถึง 14 วันเท่านั้น ในช่วงเวลานั้นไฮโดรเจนจะค่อยๆ ระเหยและถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศอย่างปลอดภัย ข้อเสียประการที่สองคือการใช้ไฮโดรเจนจะทำให้คุณสูญเสียพลังงานและประสิทธิภาพไปมาก BMW Hydrogen 7 รุ่นต่อมาจากปี 2005 ได้แก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้บางส่วน และเพิ่มแรงดันไฮโดรเจนเป็น 700 บาร์โดยไม่ทำให้อากาศเย็น

อีกตัวอย่างที่ดีคือเครื่องยนต์ไฮโดรเจนของราศีกุมภ์ เครื่องยนต์เชื้อเพลิงฟอสซิลที่พัฒนาโดยบริษัทอิสราเอลซึ่งเหมาะสำหรับการใช้ไฮโดรเจน เวอร์ชันที่ใช้งานได้ครั้งแรกเปิดตัวในปี 2014 และตั้งแต่นั้นมา เวอร์ชันที่แก้ไขและปรับปรุงก็ปรากฏขึ้น นักพัฒนากล่าวว่าสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องใช้น้ำมันหล่อลื่นและมี ระบบแลกเปลี่ยนก๊าซเพื่อลดการปล่อย NOx

นอกจากนี้ เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบไฮโดรเจนยังมีน้ำหนักเบาและมีชิ้นส่วนไม่กี่ชิ้น ทำให้ราคาถูกในการผลิต สามารถใช้เป็นเครื่องขยายช่วงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าหรือเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับเครือข่าย

เครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนทำงานอย่างไร

ชื่อเต็มของมันคือเครื่องยนต์ไฮโดรเจนที่แปลงเซลล์เชื้อเพลิง แม้จะมีคำว่า "เชื้อเพลิง" แต่ก็ไม่เผาผลาญไฮโดรเจน พวกเขาใช้มันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านกระบวนการย้อนกลับของอิเล็กโทรไลซิส นั่นเป็นสาเหตุที่พวกเขาพกแบตเตอรี่สำหรับปฏิกิริยาเคมี เช่น ในเครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจน โดยที่ ไฮโดรเจนถูกเก็บไว้ในถังที่มีแรงดัน 700 bar.

เพียงแต่แทนที่จะป้อนไปที่มอเตอร์ มันจะผ่านขั้วบวกและแคโทด (เช่น แบตเตอรี่) ไปยังเซลล์เชื้อเพลิง เมื่อไปถึงที่นั่น ก๊าซไฮโดรเจน (H2) จะผ่านเมมเบรนและแตกออกเป็นไฮโดรเจนไอออน XNUMX ตัว ไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนอิสระสองตัว อิเล็กตรอนเหล่านี้ส่งผ่านจากแอโนดไปยังแคโทดของแบตเตอรี่ผ่านวงจรภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ไฮโดรเจนไอออนที่ผลิตรวมกับออกซิเจนจากอากาศเพื่อสร้างน้ำ

ด้วยเหตุนี้ เครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจึงปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ เนื่องจากไม่ผลิต NOx หรือก๊าซที่เกิดขึ้นเมื่อเผาไหม้น้ำมันเหมือนเครื่องยนต์สันดาปภายใน ไดอะแฟรมที่ใช้ในเครื่องยนต์เหล่านี้ทำมาจากแพลตตินั่มและมีราคาแพง อย่างไรก็ตาม มีงานที่ต้องแก้ไขค่าใช้จ่ายสูงนี้ ตัวอย่างเช่น ที่มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเบอร์ลิน พวกเขาได้พัฒนาเฟอร์โรอัลลอยซึ่งหากนำไปใช้ในการผลิต จะสามารถลดต้นทุนได้อย่างมาก

ข้อเสียของเครื่องยนต์ไฮโดรเจน

• ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในปฏิกิริยาเคมี ของเครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ทำจากวัสดุราคาแพง เช่น แพลตตินั่ม อย่างน้อยก็จนกว่ามันจะถูกแทนที่ด้วยทางเลือกที่ถูกกว่าเช่นที่กล่าวถึงใน TU Berlin
• เพื่อให้ได้ไฮโดรเจน จะต้องทำโดยกระบวนการเทอร์โมเคมีของเชื้อเพลิงฟอสซิลหรือโดยอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ ซึ่งต้องใช้พลังงาน วิจารณ์หลักของเครื่องยนต์ไฮโดรเจนเพราะไฟฟ้าสามารถเก็บไว้โดยตรงในแบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้าสำหรับการใช้งาน
• เมื่อได้ไฮโดรเจนแล้ว จะต้องนำเข้าเซลล์หรือถังแรงดัน กระบวนการนี้ยังต้องใช้พลังงานเพิ่มเติม
• แบตเตอรีไฮโดรเจนมีราคาแพงในการผลิตและต้องมีความทนทานสูงเพื่อให้สามารถทนต่อแรงกดดันสูงที่ต้องเก็บไฮโดรเจนไว้ได้

ข้อดีของเครื่องยนต์ไฮโดรเจน

• แบตเตอรี่ไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบากว่าแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมการใช้ในการขนส่งหนักจึงถูกตรวจสอบเพื่อเป็นทางเลือกแทนรถบรรทุกไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ เพื่อให้สามารถครอบคลุมระยะทางที่ดี พวกมันจะหนักมาก
• วันนี้การชาร์จไฮโดรเจนเร็วกว่าการชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า
• ต่างจากรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนไม่ต้องการแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงต้องใช้ลิเธียมหรือวัสดุอื่นๆ ที่อาจขาดแคลนน้อยลง เครื่องยนต์สันดาปภายในไฮโดรเจนไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ลิเธียมหรือแบตเตอรี่อื่นที่คล้ายคลึงกันโดยตรง
• เซลล์เชื้อเพลิงสามารถยืดอายุรถยนต์ได้ ต่างจากแบตเตอรี่ที่มีราคาแพงในการเปลี่ยนเนื่องจากขนาดและความจุ แบตเตอรี่ที่เกี่ยวข้องกับเครื่องยนต์ไฮโดรเจนมีขนาดเล็กลง ดังนั้นจึงมีค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่ถูกกว่า
• เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์เชื้อเพลิงฟอสซิล เครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนใช้มอเตอร์ไฟฟ้า จึงเงียบมาก

เอกราช

ข้อเสียของเครื่องยนต์ไฮโดรเจนคือถังหรือเซลล์เชื้อเพลิงต้องมีไฮโดรเจนที่ความดันสูงมาก ดังนั้น, จุดจ่ายจะต้องสอดคล้องกับแรงดัน 700 บาร์ที่รองรับ.

สิ่งนี้ต้องการการสร้างโครงสร้างพื้นฐานด้านอุปทานเพื่อให้สามารถเติมเชื้อเพลิงให้กับยานพาหนะประเภทนี้ได้ ที่กล่าวว่ามีปัญหาเช่นเดียวกับรถยนต์ไฟฟ้าล้วน อย่างไรก็ตาม การเติมน้ำมันนั้นเร็วกว่ามาก เนื่องจากเหมือนกับรถยนต์ที่ใช้ LPG หรือ GLC

รถยนต์ที่ติดตั้งเครื่องยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในปัจจุบันจะมีระยะใกล้เคียงกับน้ำมันเบนซิน ตัวอย่างเช่น, Toyota Mirai ประกาศ 650 กม. พร้อมแบตเตอรี่เต็ม, Hyundai Nexo 756 กม. และ BMW iX5 Hydrogen 700 กม.

ยานอื่นๆ เช่น Hopium Machina ได้ประกาศระยะทาง 1.000 กม. แม้ว่าตัวเลขดังกล่าวจะต้องได้รับการยืนยันเมื่อมันเกิดขึ้น ไม่ว่าในกรณีใด เอกราชไม่สำคัญเท่ากับแบตเตอรี่ เนื่องจากการเติมเชื้อเพลิงจะเร็วกว่ามาก สิ่งที่ต้องจำไว้คือจำนวนจุดเชื้อเพลิง

พวกเขาปลอดภัย?

แบรนด์ต่างๆ ทำงานเกี่ยวกับเครื่องยนต์ประเภทนี้มาหลายปีเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ ลดต้นทุน และแน่นอน ทำให้พวกเขาปลอดภัยเท่ากับเครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล

นอกจากนี้ มาตรฐานความปลอดภัยที่กำหนดโดยยุโรป สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น ยังรับประกันความปลอดภัยของรถยนต์ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน ไม่จำเป็นต้องพูด Toyota ทำเป็นว่า ถังน้ำมันของ Mirai นั้นแข็งแกร่งพอที่จะกันกระสุนได้

เราจะเห็นวันที่รถยนต์ทุกคันใช้ไฮโดรเจนหรือไม่? เวลาจะแสดงทุกอย่าง เป็นที่ชัดเจนว่าแบรนด์ต่างๆ ยังคงลงทุนต่อไปและมีข้อดีบางประการที่ทำให้เป็นทางเลือกที่เหมาะสมในการขนส่งที่ไม่มีการปล่อยมลพิษ

ฉันหวังว่าด้วยข้อมูลนี้ คุณจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเครื่องยนต์ไฮโดรเจน คุณลักษณะ ข้อดีและข้อเสียของเครื่องยนต์