- به وبسایت رسمی کاویان خوش آمدید
- تهران, شهر قدس,
- 021-46837072
خودروهای هیدروژنی و نحوه عملکرد آنها
هدف از شرح این مقاله توسط کارشناسان شرکت سپهر گاز کاویان آشنایی با خودروهای هیدروژنی و نحوه عملکرد آنها میباشد. پیش از آنکه در رابطه با مسائل فنی یک خودروی پیل سوختی (Fuel Cell) صحبت کنیم، لازم است با مفهوم پیل سوختی به ساده‌ترین شکل آشنا شویم.
تعریف پیل سوختی در عملکرد خودروی هیدروژنی چیست؟
همان‌گونه که از نام آن مشخص است یک باتری است که البته برخلاف باتری‌های معمولی برای تولید انرژی الکتریکی نیاز به سوخت دارد.خودروهای هیدروژنی و سوخت های آن ها مورد توجه هستند.
برای درک بهتراز کارکرد یک پیل سوختی بهتر است مروری بر مطالب درسی علوم دوران راهنمایی داشته باشیم (البته زمانی که راهنمایی هنوز یکی از مقاطع تحصیلی آموزش‌وپرورش کشور بود!)؛ قطعا آزمایش تجزیه آب را از آن دوران شیرین به خاطر دارید. انجام ان آزمایش به این صورت بود که دو الکترود را به دو قطب مثبت و منفی یک باتری وصل می‌کردیم و درون آب قرار می‌دادیم و با وصل شدن جریان الکتریسیته، آب به دو عنصر سازنده‌اش O2 و H2 تجزیه می‌شد.
اگر بخواهیم به صورت تئوری تصور کنیم میبینیم که عکس این آزمایش امکان پذیر است به این معنا که اگر بتوانیم اکسیژن و هیدروژن را با هم ترکیب کنیم، حاصل کار جریان الکتریسیته و آب است. گفتنی است که این تصور چندان هم غلط به نظر نمی آید چراکه همین تصور، ساختار ساده شده یک پیل سوختی را به نمایش می‌گذارد چراکه در این پیل‌ها، اکسیژن هوا با هیدروژن ترکیب میشود و در این واکنش الکتریسیته و آب (البته به‌صورت بخار) تولید خواهد شد.شایان ذکر است که این ترکیب به همین سادگی حاصل نمیشود، اما اصول کاری یک سلول پیل سوختی دقیقا بر اساس ترکیب همین دو عنصر و تولید الکتریسیته استوار است.
عملکرد پیل سوختی
همانطور که پیش تر گفته شد اصول کاری پیل سوختی برپایه ایجاد پیوند میان دو عنصر O2 و H2 و تولید آب و الکتریسیته میباشد. همانطور که میبینید تا اینجای کار همه چیز همه‌چیز خوب پیش میرود چراکه هردوی عناصر لازم برای این واکنش به وفور در دسترس است و این فرآیند هم بسیار پاک است و منجربه تولید هیچ گونه آلایندگی نخواهد شد
اما مشکل از انجایی شروع میشود که اکسیژن و هیدروژن از ترکیب شدن با هم سر باز می‌زنند!
متاسفانه گفتنی است که در حالت طبیعی این دو عنصرهیچگونه تمایلی 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 پیچیدگی‌های یک سلول پیل سوختی نمایان میشود. تنها راهی که بتوان هیدروژن و اکسیژن را با هم ترکیب کرد این است ساختارآن‌ها دچار شکستگی شود. برای این منظور دانشمندان موفق شده‌اند کاتالیست‌های ویژه‌ای را طراحی کنند که می‌تواند با تغییر در ساختار این دو ماده آنها را وادار به ترکیب با یکدیگر کند.
خودروهای هیدروژنی
در یک سلول سوختی، H2به یک سمت پیل تزریق میشود که حکم آند را در باتری‌های معمولی ایفا میکند. ساختار این گاز در مواجهه با کاتالیزور از جنس پلاتین تجزیه میشود و به این ترتیب یون‌های مثبت هیدروژن و الکترون آزاد میشود. به‌طور معمول این دو بخش تمایل دارند به مسیر خود در پیل سوختی ادامه دهند، اما پس از کاتالیزور، یک لایه دیگر موسوم به الکترولیت وجود دارد که تنها به یون‌های مثبت اجازه عبور می‌دهد و به این ترتیب الکترون‌ها که بار منفی دارند نمی‌توانند از آن گذر کنند.
این الکترون‌ها به ناچار در مدار خارجی جریان پیدا کنند و به این ترتیب به سمت مصرف‌کننده جریان الکتریکی (موتور الکتریکی خودرو) میروند. در داخل پیل سوختی یون‌های هیدروژن در ادامه مسیر خود به سمت کاتد میروند. از سوی دیگر الکترون‌ها نیز در ادامه مسیر خود از مصرف‌کننده جریان الکتریکی به سمت کاتد می‌آیند (به‌طور کلی جریان الکتریکی باید به‌صورت بسته باشد به این معنا که الکترون‌ها بتوانند در یک مدار بسته حرکت کنند تا جریان تولید شود). در کاتد، یون‌های مثبت هیدروژن و الکترون‌ها با اکسیژن برخورد می‌کنند که حاصل آن فرمول مشهور ترکیب اکسیژن و هیدروژن ، آب است.خودروهای هیدروژنی و سوخت های آن ها مورد توجه هستند.
چرا از اگزوز خودروهای مجهز به پیل سوختی بخار آب خارج میشود؟
در ادامه مطلب قبل لازم به ذکر است که در نتیجه پروسه این فعل وانفعالات، جریان الکتریسیته، آب ونیز البته مقداری گرما تولید میشود. این گرما باعث میشود آب تولید شده به صورت بخار باشد و به همین دلیل است که از اگزوز خودروهای مجهز به پیل سوختی بخار آب خارج میشود.در نتیجه به این سوخت سوخت پاک گفته میشود زیرا هیچ آلاینده زیست‌محیطی تولید نمیشود و خروجی خودرو تنها بخار آب است.خودروهای هیدروژنی و سوخت های آن ها مورد توجه هستند.
اکسیژن و هیدروژن از کجا به سلول پیل سوختی می‌رسند؟
همان‌گونه پیش تر گفته شد پیل سوختی برای کارکرد خود نیاز به جریان پیوسته اکسیژن و هیدروژن در دو سمت خود دارد. تأمین اکسیژن لازم برای این فرآیند بسیار اسان است زیرا میتوان از اکسیژنی که در هوای اطراف ما وجود دارد استفاده کرد بنابراین کافی است در سمت کاتد جریان هوا برقرار باشد. در سمت دیگر پیل نیاز به هیدروژن داریم، اما متاسفانه نمی‌توان این گاز را از هوای اطراف گرفت.
این گاز (H2) سبک‌ترین عنصر جدول تناوبی است و به فراوانی نیز در سیاره زمین وجود دارد، اما متاسفانه در هوای تنفسی ما این گاز وجود ندارد و به همین دلیل باید آن را از طریقی دیگر به سلول رساند. برای این منظور، در خودرو‌ها از مخازن هیدروژن مایع استفاده میشود. مایع‌سازی این گاز باعث فشرده شدن آن میشود و به این ترتیب حجم آن کاهش پیدا میکند. این مسئله کمک میکند انتقال آن آسان‌تر باشد ضمن آنکه ذخیره‌سازی آن در خودرو هم نیاز به فضای کمتری دارد.
به این ترتیب هیدروژن از مخزن سوخت به پیل تزریق میشود تا بتواند فرآیند کاری پیل را کامل کند. همان‌گونه که گفتیم عنصر نام برده به فراوانی در زمین وجود دارد، اما متاسفانه ترکیب منفرد آن نایاب است و معمولاً به‌صورت ترکیب با سایر عناصر وجود دارد و عملا باید آن را استخراج کرد. برای این منظور شاید ساده‌ترین راه‌حل، تجزیه آب باشد.
این روش در مقیاس ازمایشگاهی امکان پذیر است اما در مقیاس صنعتی به هیچ عنوان مقرون‌به صرفه نمیباشد. هیدروکربن‌ها از جمله منابع هیدروژن، به شمار میروند. هیدروکربن‌ها متشکل از هیدروژن و کربن بوده و به‌طور معمول به‌عنوان سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرند. در صنعت نیز طی فرآیندی با بهره‌گیری از بخار آب داغ در فشار بالا و البته یک کاتالیزور، میتوان H2 این ترکیبات را آزاد کرد. در کنار این، از حرارت دادن کُک با حضور آب نیز هیدروژن به دست می‌آید.خودروهای هیدروژنی و سوخت های آن ها مورد توجه هستند.
خودروی پیل سوختی چگونه کار میکند؟
تا اینجا ی مقاله متوجه شدیم که ساختار یک پیل سوختی چگونه است و دیدیم چگونه با تزریق هیدروژن و ترکیب آن با هوا، الکتریسیته و بخار آب تولید میشود. البته ناگفته نماند پیل سوختی ما ابعاد کوچکی دارد و جریان الکتریکی محدودی نیز تولید می‌کنددر نتیجه یک پیل سوختی جوابگوی راه‌اندازی موتور خودرو نمیباشد. به همین دلیل تعداد زیادی از این پیل‌های کوچک در کنار هم قرار می‌گیرند تا بتوانند نیرو‌بخش خودرو باشند.
این مجموعه به‌عنوان قلب سیستم عمل میکند و وظیفه تولید نیروی الکتریسیته لازم را به‌صورت 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 میشود، باک باید ساختار مقاومی داشته باشد (تقریبا مشابه آنچه در خودروهای گازسوز وجود دارد).خودروهای هیدروژنی و سوخت های آن ها مورد توجه هستند.
این ماده با توجه به نیاز خودرو از این باک به سمت پیل حرکت میکند و در آنجا نیروی الکتریسیته لازم برای کارکرد موتور الکتریکی خودرو تأمین میشود و باقی کار مانند خودروهای الکتریکی است با این تفاوت که در اینجا منبع نیرو را میتوان تنها با شارژ هیدروژن (که زمان کوتاهی در حد ۲ تا ۳ دقیقه نیاز دارد) تجدید کرد. نیروی تولید شده توسط پیل در حد مشخصی است و با تزریق بیشتر هیدروژن به مجموعه نمی‌توان توان آن را از محدوده معینی بالاتر برد. بنابراین بسیار بدیهی است این مسئله در یک رانندگی آرام مشکلی ایجاد نمی‌کند، اما اگر راننده بخواهد شتابگیری کند، توان مجموعه ممکن است ناکافی باشد.
از سوی دیگر بهره‌گیری از پیل بزرگ‌تر به معنای وزن بیشتر و بدتر از آن بالا رفتن قیمت است و با توجه به اینکه ممکن است توان بالای پیل به‌طور ممتد به کار نیاید، این ایده چندان منطقی نیست.
برای کمک به راننده در این شرایط، مجموعه کوچکی از باتری نیز در این خودرو‌ها در نظر گرفته میشود. این باتری‌ها مشابه نمونه‌هایی است که در خودروهای الکتریکی و یا هیبرید نصب میشود، اما ابعاد کوچک‌تری دارد. وظیفه اصلی این باتری‌ها ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی و آزاد کردن آن در زمان لازم است تا از این طریق بتوان توان موتور الکتریکی را به‌صورت مقطعی افزایش داد.خودروهای هیدروژنی و سوخت های آن ها مورد توجه هستند.