حصريا - شرح مفصل لتكنولوجيا مركبات خلية الوقود FCV

[MADI1]

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 " :



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 .

...

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 .

......

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 .

[MADI1]

الآن لنمر بشكل سريع على بقية الأجزاء ، و جميعها أجزاء موجودة بالسيارة الهجينة التقليدية ، لكن هناك بعض الاختلافات سيشار لها :

أولا : المحرك الكهربائي :



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 :



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 .



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

أسعار الهيدروجين :



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 :



- 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 :



- 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 :



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

يرجى عدم النقل دون ذكر الكاتب و المصدر

أخوكم : MADI

[KOERU]

موضوع رائع وفيه الشي الكثير عن هذه الفئه من السيارات
في اعتقادي ممكن تكون هذه هي مستقبل السيارات ماادري اذا كان تختلف عن الكهربائيه او هي نفسها

لكن اكيد هذا راح يكون توجه شركات السيارات مستقبلا بعد نفاذ البترول

[MADI1]

موضوع رائع وفيه الشي الكثير عن هذه الفئه من السيارات
في اعتقادي ممكن تكون هذه هي مستقبل السيارات ماادري اذا كان تختلف عن الكهربائيه او هي نفسها

لكن اكيد هذا راح يكون توجه شركات السيارات مستقبلا بعد نفاذ البترول

حياك يا غالي ، شرفني مروورك ..

كما ترى هي كهربائية ، لكن هناك مصدر طاقة داخلي يشحنها و مركب فيها و هي خلية الوقود ( يعني تشحنها بـ3 دقايق بدل 6 ساعات ) و بهذا تم القضاء على أكبر عيوب السيارات الكهربائية

بقيت التحديات التي أشرت لها هي ما تمنع انتاجها للآن ، لكن تويوتا وعدت بحل مشكلة التكلفة وطرح السيارة للبيع بنهاية الـ2015

ننتظر لنرى نتائج أبحاث اليابانيين

[スバル]

فكره جميله ولكن مسألة السعر خربت المعادلة يعني لو خيرت بين سياره تعمل بخلايا الوقود ب100 الف دولار وسياره تعمل بالبنزين او الديزل بفس المواصفات وقد تكون افضل بمراحل من ناحية الشكل والرفاهيه ب30 الف دولار حتما ساختار الثانيه هل معقول ان باعبي بنزين او ديزل ب70 الف دولار مدى حياتي !!
صحيح ان البيئة مهمه ولكن في النهايه لن يضحي احد بمبلغ طائل من اجل البيئة كما ان سيارات الديزل والبنزين صارت تستعمل التيربو كثيرا بدل حجم المحرك الكبير وفي بعض السيارات يكاد يكون تاثيرها على البيئة شبه معدوم خصوصا السيارات الاوروبية

[عاشق تيوتا الام]

عاشت يمناك يا ماضي الله يوفقك مبدع دوماً

لا اريد التعليق كثيراً بل اقول انها ثورة صناعة السيارات في السنوات القادمة

تحياتي لك واتمنى تثبيت الموضوع وتطويرة بكل جديد اخ ماضي

[MADI1]

فكره جميله ولكن مسألة السعر خربت المعادلة يعني لو خيرت بين سياره تعمل بخلايا الوقود ب100 الف دولار وسياره تعمل بالبنزين او الديزل بفس المواصفات وقد تكون افضل بمراحل من ناحية الشكل والرفاهيه ب30 الف دولار حتما ساختار الثانيه هل معقول ان باعبي بنزين او ديزل ب70 الف دولار مدى حياتي !!
صحيح ان البيئة مهمه ولكن في النهايه لن يضحي احد بمبلغ طائل من اجل البيئة كما ان سيارات الديزل والبنزين صارت تستعمل التيربو كثيرا بدل حجم المحرك الكبير وفي بعض السيارات يكاد يكون تاثيرها على البيئة شبه معدوم خصوصا السيارات الاوروبية

حياك يا غالي ، شرفني مروورك

بالنسبة للسيارات التي تعمل بهذه التكنولوجيا فهي ليست للبيع

يعني الشركات عارفة أن السعر جدا مرتفع عشان كذا أبحاثهم الآن تتركز على خفض التكلفة

و بالفعل قربوا من تحقيق تكلفة منطقية ..

عاشت يمناك يا ماضي الله يوفقك مبدع دوماً

لا اريد التعليق كثيراً بل اقول انها ثورة صناعة السيارات في السنوات القادمة

تحياتي لك واتمنى تثبيت الموضوع وتطويرة بكل جديد اخ ماضي

حياك يا غالي ، شرفني مروورك ..

ان شاء الله سيحدث الموضوع بآخر تطورات هذه التقنية .

تحياتي لك ..

[MADI1]

أخيرا ، السيارة قادمة للبيع عام 2015



فقد أعلنت تويوتا بمعرض للالكترونيات الاستهلاكية بلاس فيجاس عن تمكنها أخيرا من حل مشكلة التكلفة المرتفعة للسيارة

و أضافت أنها عازمة على طرحها بعام 2015 بولاية كاليفورنيا أولا و ذلك لأن " جولدن ستيت " ستوفر دعم بأكثر من 200 مليون دولار لبناء 20 محطة جديدة للتزود بالهيدروجين بحلول عام 2015 من مجموع 40 محطة بحلول عام 2016 و صولا إلى 100 محطة بحلول عام 2024

إذاً تويوتا حلت مشكلة التكلفة بوقت مبكر أكثر من المتوقع ، و لكن الآن ستتأخر بسبب تجهيز البنية التحتية و التي بدأت فيها بالتعاون مع " جولدن ستيت "

و فيما يتعلق بمحرك السيارة الهيدروجينية ، فقد كشفت تويوتا عن بعض المعلومات حيث تبلغ قوته 100 كيلو واط أي ما يعادل 134 حصان ، مع القدرة على تشغيل كهرباء منزل كامل لمدة أسبوع في حالات الطوارئ .


السيارة تم اختبارها لعام كامل في أمريكا الشمالية ، و هذه بعض الصور :