مقارنة بين أنظمة طاقة خلايا وقود الهيدروجين ومحركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية

المبدأ الأساسي لـ خلايا وقود الهيدروجين هو تحويل الطاقة الكيميائية الموجودة في الوقود إلى طاقة كهربائية من خلال تفاعلات كهروكيميائية. يعتمد مبدأ عمل خلية وقود الهيدروجين على تفكيك الهيدروجين إلى إلكترونات وأيونات هيدروجين (بروتونات) بواسطة محفز (البلاتين) في أنود خلية الوقود. تمر البروتونات عبر غشاء تبادل البروتونات إلى الكاثود، حيث تتفاعل مع الأكسجين لتكوين الماء والحرارة. تتدفق الإلكترونات المقابلة من الأنود إلى الكاثود عبر دائرة خارجية، مولدةً طاقة كهربائية. يتكون هيكل مجموعات خلايا وقود الهيدروجين بشكل أساسي من صفائح ثنائية القطب، وأقطاب غشائية (غشاء تبادل البروتونات المغطى بطبقة محفز)، وطبقات انتشار الغاز، وصفائح عازلة، وغيرها. بعد ذلك، بناءً على المجموعة، تُدمج أنظمة إضافية مثل نظام الهواء، ونظام الهيدروجين، والنظام الإلكتروني والكهربائي، ونظام إدارة الحرارة المائية لتشكيل نظام طاقة لخلية وقود الهيدروجين، وهو في الأساس محرك خلية وقود هيدروجينية.

تستمد محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجيني طاقتها من حرق الهيدروجين، ويعمل هذا النوع من المحركات، كغيره من محركات الوقود التقليدية، بأربعة أشواط: السحب، والضغط، والقدرة، والعادم، مع استبدال الهيدروجين بالوقود التقليدي. وإذا أخذنا محرك كومينز كمثال، فإن هيكله يشبه إلى حد كبير هيكل محرك الغاز الطبيعي، والذي يتضمن مكونات مثل كتلة الأسطوانات، والعمود المرفقي، ورأس الأسطوانة، ونظام الإشعال، وأجزاء التركيب؛ كما أن أجزاء محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية ومحركات الديزل قابلة للتبادل جزئيًا، مثل كتل الأسطوانات، وأعمدة الكرنك، والدعامات، وأغطية دولاب الموازنة، وغيرها من مكونات التركيب. ويمكن للدرجة العالية من التشابه والتبادل بين هذه المكونات أن تستفيد من المزايا الاقتصادية لمحركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية من كومينز، وأن تعزز موثوقية المعدات، وأن توفر دعمًا أساسيًا في انتقال الصناعة إلى ممارسات منخفضة الكربون.

أوجه التشابه بينهما تتطلب مشاركة الهيدروجين والأكسجين في التفاعل؛ جميع وحدات تخزين الوقود وخزانات تخزين الهيدروجين مطلوبة؛ يمكنها تشغيل السيارة. الفرق هو أنهما يُولّدان الطاقة بطرق مختلفة، مما يؤدي أيضًا إلى اختلاف كبير في الكفاءة، لذا فإن مركبات خلايا الوقود ستقطع مسافات أطول بنفس استهلاك الهيدروجين؛ كما أن طريقة بناء المحركات مختلفة تمامًا؛ خلايا الوقود أكثر صداقة للبيئة من محركات احتراق الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، لا يوجد فرق في سرعة إطلاق الطاقة، ويمكن لكل من محركات الاحتراق الداخلي وخلايا الوقود تحقيق إنتاج طاقة عالي على المدى القصير.
وبالمقارنة مع الطريقين، فإن مزايا خلايا وقود الهيدروجين تتمتع محركات وقود الهيدروجين بكفاءة تحويل عالية، وانبعاثات تلوث منخفضة، ودرجة عالية من التطبيق التجاري، وخاصة من حيث كفاءة التحويل، حيث يصعب أن تتجاوز الكفاءة الحرارية لمحركات وقود الهيدروجين 45%، في حين أن كفاءة تحويل خلايا وقود الهيدروجين يمكن أن تصل إلى أكثر من 60%.
تتميز محركات وقود الهيدروجين بانخفاض تكلفتها (حوالي 10% من خلايا الوقود)، وانخفاض متطلبات نقاء الهيدروجين، وإمكانية تعديلها لتتوافق مع محركات الوقود الحالية. إضافةً إلى ذلك، تُعد محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية أكثر ملاءمةً للاستخدام في المركبات التجارية، مثل الشاحنات المتوسطة والثقيلة، نظرًا لكفاءتها العالية في ظروف الأحمال العالية.