وقتی صحبت از منابع جدید انرژی به میان میآید، نیروگاههای بادی، برق آبی، انرژی خورشیدی و انرژی هستهای همگی شناخته شده هستند و بیشتر آنها عزیزان بازار سرمایه هستند. با این حال، هیدروژن، به عنوان یک رقیب به همان اندازه مهم، نسبتا ناشناخته باقی مانده است و فاقد دید قوی است. با این حال، زمان در حال تغییر است. نمایشگاه واردات نوامبر 2021 شانگهای این الگوی ذاتی را شکست. تویوتا ژاپن نسل دوم خودروی سواری پیل سوختی هیدروژنی Mirai را برای اولین بار در چین به نمایش گذاشت. این خودرو دارای حداکثر برد 850 کیلومتری است که در یک حرکت از اکثر خودروهای با انرژی جدید لیتیومی پیشی می گیرد.
امروزه به اصطلاح "وسیله نقلیه هیدروژنی"به طور خاص به خودروهای سلول سوختی هیدروژنی اشاره دارد. با این حال، برخلاف باتریهای لیتیوم یونی، سلولهای سوختی هیدروژنی اساساً دستگاههایی هستند که انرژی الکتریکی را از طریق واکنش شیمیایی بین هیدروژن و اکسیژن تولید میکنند. محصول جانبی نهایی این واکنش شیمیایی، بر خلاف سوخت معمولی، فقط آب است. وسایل نقلیه ای که موادی مانند اکسیدهای کربن، اکسیدهای نیتروژن و اکسیدهای گوگرد از خود ساطع می کنند.بنابراین هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی در نظر گرفته می شود که قادر به دستیابی به "انتشار صفر" است.
در پیل های سوختی هیدروژنی، تیتانیوم نقش مهمی ایفا می کند.صفحات دوقطبی تیتانیوم در پیل های سوختی هیدروژنی دارای ضخامت نازک، رسانایی عالی، خواص حرارتی خوب، استحکام مکانیکی بالا و ایزولاسیون گاز کارآمد هستند. این ویژگی ها به افزایش چگالی توان سلول کمک می کند. خودروی پیل سوختی تویوتا MIRAI ژاپن از صفحات دوقطبی ساخته شده از تیتانیوم استفاده می کند. علاوه بر این، لایه انتشار گاز (GDL یا PTL)، که 17 درصد از هزینه الکترولیز را تشکیل می دهد، از تیتانیوم درجه صنعتی با کارایی بالا به عنوان ماده پایه آند استفاده می کند که امکان دستیابی به حداکثر فعالیت را فراهم می کند.
اصل کار پیل های سوختی هیدروژنی شامل عبور هیدروژن از کاتالیزور (پلاتین) در الکترود مثبت سلول است، جایی که به الکترون ها و یون های هیدروژن تجزیه می شود. سپس یون های هیدروژن از طریق یک غشای تبادل پروتون حرکت می کنند تا به الکترود منفی برسند و در آنجا با اکسیژن واکنش می دهند و آب و گرما را تشکیل می دهند. به طور همزمان، الکترون ها از الکترود مثبت از طریق یک مدار خارجی به الکترود منفی می روند و انرژی الکتریکی تولید می کنند.
به عبارت ساده، هیدروژن و اکسیژن در سلول سوختی ترکیب می شوند و برق و آب تولید می کنند. برق به وسیله نقلیه نیرو می دهد، در حالی که آب تنها محصول جانبی است که از وسیله نقلیه خارج می شود.
از این اصل عملیاتی، مزایای قابل توجه پیل های سوختی هیدروژنی سه مورد است:
اول نظافت: تنها محصول جانبی آب است که از انتشار دی اکسید کربن جلوگیری می کند.
دوم، ایمنی:فرآیند الکتروشیمیایی که پیلهای سوختی هیدروژنی را هدایت میکند، برخلاف سیستمهای مبتنی بر احتراق، خطرات ناشی از احتراق یا انفجار خود به خود را کاهش میدهد.
ثالثاً، راحتی: اچگاز هیدروژن را می توان فشرده کرد که حمل و نقل و ذخیره سازی آن را تسهیل می کند.
توجه به این نکته مهم است که پیل سوختی در خودروهای هیدروژنی با باتری های شیمیایی معمولی متفاوت است. پیل سوختی واکنش الکتروشیمیایی بین هیدروژن و اکسیژن را بدون احتراق تسهیل می کند و آب را به عنوان محصول جانبی تولید می کند و انرژی الکتریکی آزاد می کند.
انرژی الکتریکی در خودروهای پیل سوختی هیدروژنی فوراً از طریق واکنش بین هیدروژن ذخیره شده و اکسیژن اتمسفر در پشته پیل سوختی تولید می شود، بر خلاف خودروهای الکتریکی که قبل از استفاده از آن، انرژی را از یک شبکه خارجی ذخیره می کنند. بنابراین، با وجود نام «پیل سوختی» در خودروهای هیدروژنی، فرآیند آزادسازی انرژی آنها بیشتر شبیه موتورهای احتراق داخلی (واکنش بنزین با اکسیژن خارجی) است تا فرآیند ذخیره انرژی در خودروهای الکتریکی.
مشابه خودروهای موتور احتراق داخلی، گرانترین جزء در خودروهای پیل سوختی هیدروژنی، دستگاه تولید انرژی است تا دستگاه ذخیرهسازی انرژی (به عنوان مثال، در خودروهای الکتریکی، گرانترین جزء باتری است و در باتری، آند، کاتد و الکترولیت). به طور خاص، این پشته پیل سوختی است تا مخزن ذخیره هیدروژن.
با توجه به هزینه نسبتاً بالای سیستم های پیل سوختی هیدروژنی، به ویژه پشته پیل سوختی، در مرحله فعلی هزینه های تولید خودرو هیدروژنی بالاتر از خودروهای الکتریکی خالص و وسایل نقلیه موتور احتراقی سنتی است. این عامل هزینه همچنان یک محدودیت مهم در توسعه صنعت خودروهای پیل سوختی هیدروژنی است.
