خودروی هیدروژنی چیست و چطور کار می کند؟
به گزارش وبلاگ گل یخ، وبسایت کارگیک: پیش از آنکه به جنبه های فنی یک خودروی پیل سوختی (Fuel Cell) بپردازیم، بهتر است ابتدا مفهوم یک پیل سوختی را به ساده ترین شکل مرور کنیم. پیل سوختی، همان گونه که از نام آن مشخص است یک باتری است که البته برخلاف باتری های معمولی برای تولید انرژی الکتریکی نیاز به سوخت دارد.
برای درک بهتر از کارکرد یک پیل سوختی بهتر است یک بار اطلاعات درس علوم دوران راهنمایی را مرور کنیم (البته زمانی که راهنمایی هنوز یکی از مقاطع تحصیلی آموزش وپرورش کشور بود!)؛ قطعا آزمایش تجزیه آب را از آن دوران به خاطر دارید. در این آزمایش دو الکترود را به دو قطب مثبت و منفی یک باتری وصل می کردیم و درون آب قرار می دادیم و با وصل شدن جریان الکتریسیته، آب به دو عنصر سازنده اش هیدروژن و اکسیژن تجزیه می شد. به صورت تئوری شاید بتوان تصور کرد روش عکس این آزمایش هم ممکن است به این معنا که اگر بتوانیم اکسیژن و هیدروژن را با هم ترکیب کنیم، حاصل کار جریان الکتریسیته و آب است. این تصور البته چندان هم غلط نیست چراکه همین تصور، ساختار ساده شده یک پیل سوختی را به نمایش می گذارد چراکه در این پیل ها، اکسیژن هوا با هیدروژن ترکیب می شود و در این واکنش الکتریسیته و آب (البته به صورت بخار) تولید خواهد شد. البته این ترکیب به همین سادگی شکل نمی گیرد، اما اصول کاری یک سلول پیل سوختی دقیقا بر اساس ترکیب همین دو عنصر و تولید الکتریسیته پایدار است.
پیل سوختی در عمل
همان گونه که گفتیم اصول کاری پیل سوختی بر ایجاد پیوند میان دو عنصر اکسیژن و هیدروژن و تولید آب و الکتریسیته پایدار است. تا اینجای کار همه چیز خوب به نظر می رسد چراکه هردوی عناصر لازم برای این واکنش به وفور در دسترس است (در ادامه منابع لازم برای این دو عنصر را مرور خواهیم کرد) و این فرآیند هم بسیار پاک است و هیچ آلایندگی تولید نمی کند. مشکل، اما وقتی آشکار می شود که اکسیژن و هیدروژن از ترکیب شدن با هم سر باز می زنند!
متاسفانه در حالت طبیعی اکسیژن و هیدروژن هیچ میلی به ترکیب شدن با هم ندارند و این وظیفه مهندسان است تا بتوانند روشی برای ترکیب کردن این دو ماده و تولید الکتریسیته پیدا کنند و اینجاست که پیچیدگی های یک سلول پیل سوختی مشخص می شود. برای آنکه بتوان هیدروژن و اکسیژن را با هم ترکیب کرد نیاز است ساختار آن ها شکسته شود. برای این منظور دانشمندان پیروز شده اند کاتالیست های ویژه ای را طراحی کنند که می تواند با تغییر در ساختار این دو ماده آن ها را وادار به ترکیب با یکدیگر کند.
در یک سلول سوختی، گاز هیدروژن به صورت H2 به یک سمت پیل تزریق می شود که حکم آند را در باتری های معمولی دارد (این گاز در اصل حکم سوخت را دارد و عملا مصرف می شود و واژه پیل سوختی نیز به همین دلیل به این سیستم داده شده است). ساختار گاز هیدروژن در مواجهه با کاتالیزور (که به طور معمول از جنس پلاتین است) تجزیه می شود و به این ترتیب یون های مثبت هیدروژن و الکترون آزاد می شود. به طور معمول این دو بخش تمایل دارند به مسیر خود در پیل سوختی ادامه دهند، اما پس از کاتالیزور، یک لایه دیگر موسوم به الکترولیت (که می تواند ساختار های مختلفی داشته باشد و در بخش بعدی بررسی خواهد شد) وجود دارد که تنها به یون های مثبت اجازه عبور می دهد و به این ترتیب الکترون ها که بار منفی دارند نمی توانند از آن گذر کنند.
این الکترون ها ناچارند در مدار خارجی جریان پیدا کنند و به این ترتیب به سمت مصرف کننده جریان الکتریکی (که در اینجا موتور الکتریکی خودرو است) می روند. در داخل پیل سوختی یون های هیدروژن (که بار مثبت دارند و الکترون خود را از دست داده اند) در ادامه مسیر خود به سمت کاتد می روند. از سوی دیگر الکترون ها نیز در ادامه مسیر خود از مصرف کننده جریان الکتریکی به سمت کاتد می آیند (به طور کلی جریان الکتریکی باید به صورت بسته باشد به این معنا که الکترون ها بتوانند در یک مدار بسته حرکت کنند تا جریان تولید شود). در کاتد، یون های مثبت هیدروژن و الکترون ها با اکسیژن برخورد می کنند که حاصل آن فرمول مشهور ترکیب هیدروژن و اکسیژن، آب است.
به این ترتیب در فرایند این فعل وانفعالات، جریان الکتریسیته، آب و البته مقداری گرما تولید می شود. این گرما باعث می شود آب تولید شده به صورت بخار باشد و به همین دلیل است که از اگزوز خودرو های مجهز به پیل سوختی بخار آب خارج می شود. در این فرآیند هیچ آلاینده زیست محیطی تولید نمی شود و خروجی خودرو تنها بخار آب است و به همین دلیل این خودرو ها جزو خودرو های فاقد آلایندگی طبقه بندی می شوند.
در فرایند کاری پیل سوختی نیاز است در سمت آند هیدروژن وجود داشته باشد و در سوی دیگر (کاتد) هم جریان اکسیژن به طور پیوسته در اختیار باشد تا عمل ترکیب این دو ماده کامل شده و الکترون ها بتوانند جریان پیدا کنند، اما این دو ماده از چه منبعی در اختیار پیل سوختی قرار می گیرند؟
هیدروژن و اکسیژن از کجا به سلول پیل سوختی می رسند؟
همان گونه که گفتیم پیل سوختی برای کارکرد خود نیاز به جریان پیوسته اکسیژن و هیدروژن در دو سمت خود دارد. تأمین اکسیژن لازم برای این فرآیند سخت نیست؛ اکسیژن به صورت O2 در هوای اطراف ما وجود دارد و به همین دلیل در پیل سوختی هم لزومی به تزریق گاز اکسیژن خالص نیست و کافی است در سمت کاتد جریان هوا برقرار باشد. به این منظور هوا به طور پیوسته به پیل تزریق می شود تا بتواند اکسیژن لازم برای کارکرد پیل را تأمین کند. در سمت دیگر پیل نیاز به هیدروژن داریم، اما متاسفانه نمی توان هیدروژن را از هوای اطراف گرفت.
هیدروژن سبک ترین عنصر جدول تناوبی است و به فراوانی نیز در سیاره زمین وجود دارد، اما متاسفانه در هوای تنفسی ما هیدروژن وجود ندارد و به همین دلیل باید هیدروژن را از طریقی دیگر به سلول رساند. برای این منظور، در خودرو ها از مخازن هیدروژن مایع استفاده می شود. مایع سازی هیدروژن باعث فشرده شدن آن می شود و به این ترتیب حجم آن کاهش پیدا می کند. این مسئله کمک می کند انتقال آن آسان تر باشد ضمن آنکه ذخیره سازی آن در خودرو هم نیاز به فضای کمتری دارد. به این ترتیب هیدروژن از مخزن سوخت به پیل تزریق می شود تا بتواند فرآیند کاری پیل را کامل کند. همان گونه که گفتیم هیدروژن به فراوانی در زمین وجود دارد، اما متاسفانه ترکیب منفرد آن نایاب است و معمولاً به صورت ترکیب با سایر عناصر وجود دارد و عملا باید آن را استخراج کرد. برای این منظور شاید ساده ترین راه چاره، تجزیه آب باشد.
این راه چاره هرچند در مقیاس آزمایشگاهی مناسب است، اما استفاده از آن در مقیاس صنعتی مقرون به صرفه نیست. خوشبختانه یکی از فراوان ترین منابع هیدروژن، هیدروکربن ها هستند. همان گونه که از نامشان مشخص است، هیدروکربن ها متشکل از هیدروژن و کربن بوده و به طور معمول به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می گیرند (گاز طبیعی و نفت از انواع هیدروکربن ها هستند). در صنعت نیز طی فرآیندی با بهره گیری از بخار آب داغ در فشار بالا و البته یک کاتالیزور، می توان هیدروژن این ترکیبات را آزاد کرد. در کنار این، از حرارت دادن کُک با حضور آب نیز هیدروژن به دست می آید.
در حال حاضر هیدروژن در مقادیر زیاد در صنعت تولید می شود چراکه در بسکمک از فرآیند ها همچون تولید آمونیاک از هیدروژن استفاده می شود ضمن آنکه کاربرد های صنعتی دیگری همچون خنک کاری، احیای سنگ معدن های فلزی، تولید متانول و تولید بعضی اسید ها هم از دیگر موارد مصرف هیدروژن است و به این ترتیب برای عملی کردن ایده تولید انبوه خودرو های پیل سوختی مسئله ای در تأمین هیدروژن لازم برای کارکرد این خودرو ها وجود ندارد هرچند این سوخت تولید شده نیاز به زیرساخت هایی برای انتقال و عرضه دارد که در حال حاضر اصلی ترین مشکل عرضه انبوه خودرو های پیل سوختی است.
خودروی پیل سوختی چگونه کار می کند؟
تا اینجای کار ساختار یک پیل سوختی را بررسی کردیم و دیدیم چگونه با تزریق هیدروژن و ترکیب آن با هوا، الکتریسیته و بخار آب تولید می شود. البته پیل سوختی ما ابعاد کوچکی دارد و جریان الکتریکی محدودی نیز تولید می کند که برای راه اندازی موتور خودرو کافی نیست. به همین دلیل تعداد زیادی از این پیل های کوچک در کنار هم قرار می گیرند تا بتوانند نیرو بخش خودرو باشند. این مجموعه به عنوان قلب سیستم است و وظیفه تولید نیروی الکتریسیته لازم را به صورت پیوسته بر عهده دارد. در کنار این، برای تأمین هیدروژن لازم برای کارکرد خودرو، باید از یک باک هیدروژن استفاده کرد. به دلیل آنکه هیدروژن مایع در فشار بالا نگهداری می شود، باک باید ساختار مقاومی داشته باشد (تقریبا مشابه آنچه در خودرو های گازسوز وجود دارد).
هیدروژن با توجه به نیاز خودرو از این باک به سمت پیل حرکت می کند و در آنجا نیروی الکتریسیته لازم برای کارکرد موتور الکتریکی خودرو تأمین می شود و باقی کار مانند خودرو های الکتریکی است با این تفاوت که در اینجا منبع نیرو را می توان تنها با شارژ هیدروژن (که زمان کوتاهی در حد 2 تا 3 دقیقه نیاز دارد) تجدید کرد. نیروی تولید شده از طریق پیل در حد مشخصی است و با تزریق بیشتر هیدروژن به مجموعه نمی توان توان آن را از محدوده معینی بالاتر برد. این مسئله در یک رانندگی آرام مسئله ای ایجاد نمی کند، اما اگر راننده بخواهد شتابگیری کند، توان مجموعه ممکن است ناکافی باشد.
از سوی دیگر بهره گیری از پیل بزرگ تر به معنای وزن بیشتر و بدتر از آن بالا رفتن قیمت است و با توجه به اینکه ممکن است توان بالای پیل به طور ممتد به کار نیاید، این ایده چندان منطقی نیست.
برای کمک به راننده در این شرایط، مجموعه کوچکی از باتری نیز در این خودرو ها در نظر گرفته می شود. این باتری ها مشابه نمونه هایی است که در خودرو های الکتریکی و یا هیبرید نصب می شود، اما ابعاد کوچک تری دارد. وظیفه اصلی این باتری ها ذخیره سازی انرژی الکتریکی و آزاد کردن آن در زمان لازم است تا از این طریق بتوان توان موتور الکتریکی را به صورت مقطعی افزایش داد.
پ
منبع: برترین ها