معرفی و بررسی مکانیسم خودروهای سلول سوختی

به گزارش پایگاه خبری «عصرخودرو»،‌هر روز خبر از روش‌های نوینی برای تأمین قوای محرکه اتومبیل‌ها به گوش می‌رسد، اما هیچ‌کدام از این طرح‌ها از نظر تجاری و کاربرد در حدی نبوده‌اند که بتوانند به امپراطوری پیشرانه‌های بنزینی و دیزلی پایان دهند. در این نوشتار، به بررسی خودروهای سلول سوختی خواهیم پرداخت؛ خودروهایی که امید می‌رود آینده صنعت خودرو در دستان آنها باشد.

این سلول‌های پر‌انرژی
دو مشکل بزرگ پیش روی پیشرانه‌های درون‌سوز قرار دارد؛ نیاز به سوخت تجدید‌ناپذیر و تولید آلایندگی. وجود این دو مشکل اساسی، موجب شده تا در طول تاریخ صنعت وسایل نقلیه، افراد زیادی به دنبال سوخت جایگزین مناسب و قابل‌تجدید باشند که در دهه اخیر، این تلاش‌ها به بالاترین سطح خود رسیده است.
سوخت‌های جایگزین زیادی برای پیشرانه‌های درون‌سوز پیستونی پیشنهاد شده است. پیشرانه‌های پیستونی علی‌رغم کارایی و کاربرد بالا، بازدهی پایینی داشته و به سوخت‌هایی با ارزش حرارتی بالا احتیاج دارند. با تغییر نوع سوخت، طراحی پیشرانه درون‌سوز باید دچار تغییرات اساسی شود که این طراحی و توسعه، بسیار هزینه‌بر بوده و نیازمند دانش بالاست. بنابراین، این روزها نگاه‌ها به سوی موتورهای الکتریکی معطوف شده است. قبلا در خصوص مزایای موتورهای الکتریکی نسبت به پیشرانه‌های درون‌سوز بسیار گفته‌ایم. این دسته از موتور‌ها، برای کارکردن تنها به جریان الکتریکی نیاز دارند که برای تهیه این جریان الکتریکی مصرفی، روش‌های بیشماری وجود دارد.

پیل‌های قدرتمند
یکی از بهترین روش‌ها برای تأمین جریان الکتریکی در یک وسیله غیر ساکن، استفاده از پیل‌های الکتریکی است. باتری‌ها، شناخته‌شده‌ترین نوع پیل الکتریکی هستند که با انجام واکنش‌های شیمیایی، انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و جریان الکتریکی مستقیم (‌DC‌) تحویل می‌دهند.
باتری‌ها انواع متنوعی دارند ولی اساس کار آنها کاملا یکسان است. در یک باتری، چندین سلول در کنار هم قرار گرفته‌اند که هرکدام از این سلول‌ها، خود از الکترودهای آند و کاتد تشکیل شده‌اند. حضور ماده الکترولیت به عنوان رسانا و محیط تبادل یون، اختلاف پتانسیلی مابین الکترودها به وجود می‌آورد که در مجموع، اختلاف پتانسیل کل باتری را شکل می‌دهد.
باتری‌ها علی‌رغم تمام مزایای خود، هیچگاه منابع انرژی کارآمدی برای تأمین قوای محرکه خودروها نبوده‌اند. باتری‌ها سنگین هستند، به زمان زیادی برای شارژ مجدد نیاز دارند، زمان تأمین انرژی آنها نسبت به سایر منابع انرژی کوتاه است، به مرور زمان دچار کاهش کارایی می‌شوند، برای محیط زیست به شدت زیان‌آورند و البته قیمت بالایی دارند.
به همین علت هم هست که خودروهای تمام الکتریکی عمدتا از نظر تجاری نسبت به همنوعان درون‌سوز خود موفق نیستند. اگر قرار است به جای سوختگیری سریع و پیمودن صدها کیلومتر بدون دغدغه، خودروی خود را به برق شهری متصل کرده و حتی قادر به پیمودن مسافت بین دو شهر نباشیم، به جای پیشرفت، عملا دچار یک پسرفت بزرگ شده‌ایم.

سلول‌های سوختی، آینده درخشان
ایده سوخت جایگزین، ایده‌ای بسیار مناسب است. در صورتی که به جای استفاده از آن در یک پیشرانه درون‌سوز، به فکر سوزاندن آن در پیل‌های سوختی باشیم، عملا بهترین بازدهی را خواهیم داشت. 
پیل‌های سوختی عملا به ما امکان استفاده از مواد متنوعی به عنوان سوخت را می‌دهند بدون آنکه ما را به مشکلات باتری‌ها محدود کنند.
اساس کار یک پیل سوختی کاملا مشابه سایر پیل‌های الکتروشیمیایی است با این تفاوت که برای انجام واکنش شیمیایی جهت تولید جریان برق، به سوخت احتیاج دارد. برخلاف باتری‌ها  که از طریق واکنش شیمیایی میان الکترودها در محیط الکترولیت، جریان الکتریکی تولید می‌کنند، پیل‌های سوختی با واکنش میان سوخت و اکسیدکننده کار می‌کنند. بدین ترتیب ما یک منبع انرژی جریان مستقیم پایدار داریم که بدون افت کارایی تا زمانی که به سوخت و اکسید‌کننده دسترسی داشته باشد، قادر به ادامه کار است. از نظر تئوری، یک سلول سوختی بدون محدودیت چرخه کارنو قادر به تبدیل انرژی گرمایی آزاد شده از سوخت به انرژی الکتریکی است بنابراین بازده تئوری بالایی خواهیم داشت.
سلول‌های سوختی انواع متنوعی دارند اما عموم آنها همچنان در مراحل تحقیقاتی قرار داشته و تجاری‌سازی و تولید انبوه نشده‌اند یا به تعداد اندکی تولید شده‌اند.
یکی از متداول‌ترین تکنولوژی‌های سلول سوختی که امروزه مورد توجه قرار گرفته است، سلول تبادل پروتونی یا PEMFC است. این نوع پیل سوختی که در ساده‌ترین حالت، پروسه وارون الکترولیز آب را طی می‌کند (گاز هیدروژن به عنوان سوخت و اکسیژن به عنوان اکسید‌کننده) مدلی محبوب است که تنها مانع سر راه آن در مسیر تجاری سازی، دستیابی به روشی مطمئن و ارزان جهت زیرساخت‌های تولید و انتقال انبوه گاز هیدروژن است.

اساس کار
پیل سوختی همانند سایر پیل‌های شیمیایی بر اساس حضور دو الکترود در محیط تبادل یون کار می‌کند. اما محیط تبادل پیل سوختی، جریان سوخت و اکسیدکننده است. در یک پیل PEMFC که گاز هیدروژن مصرف می‌کند، در هر سلول، دو الکترود در کنار هم قرار دارند که توسط یک صفحه متخلخل از هم جدا شده‌اند. سطح خارجی صفحه متخلخل یا غشا نیز توسط لایه‌ای از پلاتینیوم به عنوان کاتالیزور جهت تسریع واکنش پوشیده می‌شود.
در تماس گاز هیدروژن با ورق کاتالیزور، ساختار آن‌ تجزیه شده و یون مثبت هیدروژن و الکترون آزاد می‌شود. در واقع هر مولکول H2 در برخورد با صفحه کاتالیزور به دو یون مثبت هیدروژن و دو الکترون تقسیم می‌شود. صفحه متخلخل مقادیر مشخصی از یون مثبت هیدروژن را از خود عبور می‌دهد اما الکترون قادر به عبور نیست. در نتیجه، آند که نسبت به کاتد دچار بار منفی اضافه (اختلاف پتانسیل) شده، به ناچار جریان را از درون سیم رسانا (شبکه برق خودرو) عبور می‌دهد. الکترون‌های عبوری با رسیدن به کاتد مجددا در تماس با یون هیدروژن قرار می‌گیرند. تا این قسمت از پروسه، عملا جریان الکتریکی شکل نمی‌گیرد چرا که الکترون‌ها برای جریان یافتن در سیم نیازمند حضور بار مثبت معادل در کاتد هستند و یون مثبت هیدروژن یا پروتون نیز تنها هنگامی از غشا عبور می‌کند که در محیط کاتد مولکول‌هایی با الکترونگاتیوی بالا وجود داشته باشد.
الکترونگاتیوی بالا در ماده اکساینده یافت می‌شود و در اینجا اکساینده ما گاز اکسیژن است. بنابراین در این مدل سلول سوختی، محیط کاتد در جریان هوای محیط قرار داده می‌شود تا با حضور مولکول‌های اکسیژن، تک پروتون‌های هیدروژن از درون غشا (صفحه متخلخل) جذب اکسیژن شده و الکترون‌ها نیز از طریق سیم رسانا از آند به کاتد جریان پیدا کنند. حاصل نهایی کار، تشکیل بخار آب در محیط کاتد است که از سلول خارج می‌شود. به همین علت است که می‌گوییم سلول  PEMFC وارون الکترولیز آب کار می‌کند چون با دریافت گاز هیدروژن و اکسیژن، به ما جریان برق و آب تحویل می‌دهد.
هر سلول، ولتاژ مشخصی تولید می‌کند که همانند باتری، با سری کردن آنها به ولتاژ کل مورد نظر دست پیدا می‌کنیم.
جریان تولیدی توسط پیل سوختی، در مجموعه کوچکی از باتری‌ها و یا خازن‌ها ذخیره می‌شود. بدین ترتیب باتری همانند صافی، ولتاژ را در حد مشخصی حفظ کرده و در شرایط مختلفی نظیر حرکت با سرعت ثابت در سربالایی و یا شتابگیری ناگهانی، جریان مورد نیاز موتور الکتریکی بلافاصله تامین شود و برای کسب توان بیشتر، نیاز به تزریق بیشتر سوخت در پیل نباشد. همچنین ذخیره انرژی در باتری، این امکان را فراهم می‌کند که بخشی از انرژی هدر رفته در ترمزگیری‌ها مجددا بازیافت و ذخیره شود.

مزایا و معایب سلول سوختی
همانطور که گفتیم، سلول‌های سوختی مزایای یک پیشرانه درون‌سوز و باتری‌ها را به صورت همزمان در اختیار ما قرار داده و در عین حال معایب آنها را ندارند. این سلول‌ها قادرند بدون نیاز به شارژ مجدد و تنها طی یک پروسه سوختگیری عادی، کار خود را آغاز کرده و بدون افت توان و کارایی، جریان مورد نیاز سیستم را به صورت پیوسته تأمین کنند. برخلاف باتری‌ها، سلول‌های سوختی انرژی را درون خود ذخیره نمی‌کنند بلکه از انرژی ذخیره شده درون سوخت جهت تولید جریان استفاده می‌کنند. بنابراین مشکل محدودیت شارژدهی وجود نداشته و بُعد مسافت قابل پیمایش خودروی شما همانند یک خودرو درون‌سوز عادی تنها وابسته به حجم ذخیره‌سازی مخزن سوخت خواهد بود. در عین حال امکان طراحی پیل‌های سوختی متنوعی وجود دارد که به‌جز هیدروژن، با سایر سوخت‌های در دسترس‌تر نظیر گاز شهری کار کند و بازدهی بسیار بالاتر سلول سوختی نسبت به پیشرانه درون‌سوز مکانیکی، آلایندگی بسیار کمتری را به همراه خواهد داشت که در خصوص سوخت‌های پاکی چون هیدروژن عملا صفر خواهد بود.
سلول‌های سوختی چندان بدون مشکل نیز نیستند. در حال حاضر، پیل‌های سوختی قیمت نسبتا بالایی داشته و تولید بسیاری از خودروها با این هزینه چندان به‌صرفه نیست. بزرگ‌ترین مشکل پیش روی پیل‌های سوختی خصوصا مدل هیدروژن‌سوز، تأمین زیرساخت‌های مناسب تولید و عرضه سوخت مناسب است. به همین علت، امروزه بسیاری از محققان در حال تلاش برای طراحی پیل مناسب با سوخت‌های در دسترس‌تر برای عموم مردم هستند. پیل‌های سوختی برای داشتن بازدهی بالا، نیازمند سوخت بسیار خالص هستند که در واقعیت دستیابی به چنین خلوصی امکان‌پذیر نیست و وجود ناخالصی ضمن کاهش بازدهی، موجب تولید آلایندگی‌های ناخواسته و حرارت اضافی می‌شود. پیل‌های سوختی همانند باتری‌ها سنگین بوده و خنک‌کاری آنها پروسه‌ای بسیار حساس و با‌اهمیت است.
در نهایت، هنوز پیل‌های سوختی از نظر تکنیکی،  قادر به رقابت با پیشرانه‌های درون‌سوز نیستند. دانش طراحی و توسعه آنها هنوز نسبت به دانش طراحی یک پیشرانه درون‌سوز گسترش نیافته و فاقد زیرساخت‌های تأمین سوخت و تعمیر و نگهداری هستند.

سخن پایانی
در نهایت می‌توان آینده را متعلق به این سلول‌ها دانست؛ چرا که کاربرد آنها تنها محدود به صنعت خودرو و حمل‌و‌نقل نبوده و کاربردهای فراوانی می‌تواند برای آنها وجود داشته باشد. موانع پیش روی عمومی‌شدن این فناوری، مشکلاتی هستند که با گذشت زمان و پیشرفت تکنولوژی مرتفع خواهند شد. بازدهی بالای این پیل‌ها در مقابل آلایندگی ناچیز و امکان استفاده از سوخت‌های پاک، در نهایت موجب فراگیر‌شدنشان شده و می‌توان گفت تا پایان راه پیشرانه‌های درون‌سوز، شاید زمان چندان زیادی باقی نمانده باشد.

اجزای داخلی یک خودروی سلول سوختی

پروسه کاری یک سلول PEMFC

زیرساخت‌های تامین سوخت، بزرگ‌ترین مشکل پیش روی پیل‌های هیدروژنی

وجود باتری در سیستم سلول سوختی امکان کارکرد بدون افت توان و بازیافت انرژی در ترمزگیری را می‌دهد

یکی از مشکلات سلول‌های سوختی، ابعاد بزرگ و وزن زیاد آنهاست که گاهی از وزن یک پیشرانه درون‌سوز نیز فراتر می‌رود

کاربرد سلول‌های سوختی منحصر به خودروهای سواری نیست.

نویسنده: عارف منظری