خودروی هیدروژنی چیست و چطور کار می نماید؟ - مجله سرگرمی

برای درک بهتر از کارکرد یک پیل سوختی بهتر است یک بار اطلاعات درس علوم دوران هدایت را مرور کنیم (البته زمانی که هدایت 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 گردد و در این واکنش الکتریسیته و آب (البته به صورت بخار) فراوری 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 فراوری الکتریسیته راسخ است.

پیل سوختی در عمل

همان گونه که گفتیم اصول کاری پیل سوختی بر ایجاد پیوند میان دو عنصر اکسیژن و هیدروژن و فراوری آب و الکتریسیته راسخ 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 فراوری نمی نماید. مشکل، اما وقتی آشکار می گردد 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 فراوری الکتریسیته پیدا نمایند و اینجاست که پیچیدگی های یک سلول پیل سوختی تعیین می گردد. برای آنکه بتوان هیدروژن و اکسیژن را با هم ترکیب کرد احتیاج است ساختار آن ها شکسته گردد. برای این منظور دانشمندان پیروز شده اند کاتالیست های ویژه ای را طراحی نمایند 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 گردد که حکم آند را در باتری های معمولی دارد (این گاز در اصل حکم سوخت را دارد و عملا مصرف می گردد 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 گردد و به این ترتیب یون های مثبت هیدروژن و الکترون آزاد می گردد. به طور معمول این دو بخش تمایل دارند به جهت 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 آنالیز 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 نمایند.

این الکترون ها ناچارند در مدار خارجی جریان پیدا نمایند و به این ترتیب به سمت مصرف نماینده 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 جهت خود به سمت کاتد می روند. از سوی دیگر الکترون ها نیز در ادامه جهت خود از مصرف نماینده 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 نمایند تا جریان فراوری گردد). در کاتد، یون های مثبت هیدروژن و الکترون ها با اکسیژن برخورد می نمایند که حاصل آن فرمول مشهور ترکیب هیدروژن و اکسیژن، آب است.

به این ترتیب در پروسه این فعل وانفعالات، جریان الکتریسیته، آب و البته مقداری گرما فراوری می گردد. این گرما باعث می گردد آب فراوری شده به صورت بخار باشد و به همین دلیل است که از اگزوز خودرو های مجهز به پیل سوختی بخار آب خارج می گردد. در این فرآیند هیچ آلاینده زیست محیطی فراوری نمی گردد و خروجی خودرو تنها بخار آب است و به همین دلیل این خودرو ها جزو خودرو های فاقد آلایندگی طبقه بندی می شوند.

در پروسه کاری پیل سوختی احتیاج 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 نمایند، 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 احتیاج 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 گردد تا بتواند اکسیژن لازم برای کارکرد پیل را تأمین کند. در سمت دیگر پیل احتیاج 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 گردد. مایع سازی هیدروژن باعث فشرده شدن آن می گردد و به این ترتیب حجم آن کاهش پیدا می نماید. این مسئله یاری می نماید انتقال آن آسان تر باشد ضمن آنکه ذخیره سازی آن در خودرو هم احتیاج به فضای کمتری دارد. به این ترتیب هیدروژن از مخزن سوخت به پیل تزریق می گردد 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 تعیین 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 فراوری می گردد چراکه در بسیاری از فرآیند ها همچون فراوری آمونیاک از هیدروژن استفاده می گردد ضمن آنکه کاربرد های صنعتی دیگری همچون خنک کاری، احیای سنگ معدن های فلزی، فراوری متانول و فراوری برخی اسید ها هم از دیگر موارد مصرف هیدروژن است و به این ترتیب برای عملی کردن ایده فراوری انبوه خودرو های پیل سوختی مسئله ای در تأمین هیدروژن لازم برای کارکرد این خودرو ها وجود ندارد هرچند این سوخت فراوری شده احتیاج 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 نماید؟

تا اینجای کار ساختار یک پیل سوختی را آنالیز کردیم و دیدیم چگونه با تزریق هیدروژن و ترکیب آن با هوا، الکتریسیته و بخار آب فراوری می گردد. البته پیل سوختی ما ابعاد کوچکی دارد و جریان الکتریکی محدودی نیز فراوری می نماید 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 فراوری 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 گردد، باک باید ساختار مقاومی داشته باشد (تقریبا مشابه آنچه در خودرو های گازسوز وجود دارد).

هیدروژن با توجه به احتیاج خودرو از این باک به سمت پیل حرکت می نماید و در آنجا نیروی الکتریسیته لازم برای کارکرد موتور الکتریکی خودرو تأمین می گردد 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 احتیاج دارد) تجدید کرد. نیروی فراوری شده توسط پیل در حد تعیینی 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 نماید، 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 یاری به راننده در این شرایط، مجموعه کوچکی از باتری نیز در این خودرو ها در نظر گرفته می گردد. این باتری ها مشابه نمونه هایی است که در خودرو های الکتریکی و یا هیبرید نصب می گردد، اما ابعاد کوچک تری دارد. وظیفه اصلی این باتری ها ذخیره سازی انرژی الکتریکی و آزاد کردن آن در زمان ضروری است تا از این طریق بتوان توان موتور الکتریکی را به صورت مقطعی افزایش داد.

مجله دور زمین: دور زمین | سفر به دور زمین هیچوقت اینقدر آسون نبوده! تور ارزان، تور لحظه آخری، اروپا، تور تایلند، تور مالزی، تور دبی، تور ترکیه

مهسان بلاگ: قدرت گرفته از سیستم مدیریت محتوای مهسان