فناوری پیل های سوختی و کاربرد آن در خودرو

پیل سوختی, بهترین پیشنهاد برای جایگزینی بنزین است این سیستم ها فاقد هرگونه آلودگی و اجزای متحرک هستند

پیل سوختی، بهترین پیشنهاد برای جایگزینی بنزین است. این سیستم‌ها فاقد هرگونه آلودگی و اجزای متحرک هستند. بازده پیل‌های سوختی افزون بر ۳ برابر موتورهای درونسوز است. اکثر انواع پیل سوختی، از هیدروژن به عنوان منبع تجدید‌پذیر استفاده می‌کنند. کاربرد پیل‌های سوختی، وابستگی به منابع محدود سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهد. دیگر مزایای آن در این مقاله تشریح خواهد شد.

● پیل سوختی از گذشته تا حال

در ۱۸۳۹، ویلیام گرو۱ فیزیکدان و روزنامه‌نگار انگلیسی، اصول کار پیل سوختی را کشف کرد. وی از ۴ پیل بزرگ که هر یک دارای ظرفی حاوی هیدروژن و اکسیژن بود، با هدف تولید الکتریسیته استفاده کرد. الکتریسیته حاصل، آب را در ظرفی کوچک‌تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌کرد. سابقه تولید پیل سوختی به ۱۸۸۹ باز می‌گردد. در این سال، اولین پیل سوختی توسط لودویک من۲ و چارلز لنجر۳ ساخته شد. در اوایل قرن بیستم، تلاش‌هایی در زمینه توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در ۱۹۵۵ پیل سوختی قلیایی ۵ کیلوواتی ساخته شد.

از سال ۱۹۶۰ به بعد، سازمان فضایی امریکا (ناسا) از پیل‌های سوختی در سفینه‌های «جیمینی» و «آپولو» به منظور تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان، استفاده کرد. طی دهه ۷۰، فناوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو به کار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی در ۱۹۷۰ توسط شرکت جنرال‌موتور امریکا ساخته شد. از ۱۹۹۰، با سرمایه‌گذاری‌های بیشتر، فناوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است. از دهه‌ی ۸۰ به بعد، شرکت بالارد۴ در کانادا، تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت نوعی زیردریایی که در آن از پیل سوختی استفاده می‌شد، به عنوان پیشروی این صنعت به دنیا معرفی شد. هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال ۲۰۰۰ با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی، ‌مورد بهره‌برداری قرار گرفت. این هواپیما توان پرواز طولانی (۶ ماه) و بی‌وقفه را دارد و با حرکت مستمر خود در یک منطقه از آسمان، کاربردهای وسیعی در زمینه‌های مخابراتی، جاسوسی و امدادرسانی (در حوادث طبیعی) پیدا کرده است.

● تعریف پیل سوختی

پیل سوختی دستگاهی است الکتروشیمیایی که انرژی حاصل از واکنش شیمیایی را به انرژی الکتریکی مفید تبدیل می‌کند. تبدیل انرژی در پیل سوختی، تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است. عملکرد پیل سوختی مانند باتری نیست که انرژی را ذخیره کند بلکه در آن حالتی از انرژی به حالتی دیگر تبدیل می‌شود، اما در این تبدیل، مواد داخل پیل مصرف نمی‌شود. همچنین، چگالی انرژی باتری کمتر از پیل سوختی است و فرایند شارژ باتری بسیار پیچیده‌تر از پر کردن مخزن پیل سوختی است. در باتری‌ها، توان تبدیلات الکتروشیمیایی بعد از چندین بار شارژ شدن کاهش می‌یابد، اما در پیل‌های سوختی چنین محدودیتی وجود ندارد. مثلا، توده پیل‌های سوختی کار کرده در یک خودرو، قابل انتقال به خودروی جدید است.

● خودروهای پیل سوختی ساده

در خودروهای پیل سوختی، پیل و توده سوختی آن منبع تولید توان بوده و از هیچ‌گونه باتری کمکی استفاده نمی‌شود. پیل سوختی، مشابه باتری خودروهای برقی، جریان الکتریسیته مورد نیاز موتور و نیروی محرکه را تولید می‌کند. سیستم نیرو محرکه، شامل یک معکوس‌کننده برای تبدیل جریان پیل سوختی از DC به AC با فرکانس ولتاژ متغیر، یک رتور AC و یک سیستم انتقال نیرو از موتور به چرخ‌های خودرو است.

● خودروهای پیل سوختی ترکیبی (هیبریدی)

یک خودروی پیل سوختی، ترکیبی دارای یک باتری با یک خازن ظرفیت بالا به صورت موازی با سیستم پیل سوختی است. پیل سوختی ترکیبی، به طور همزمان از بیشترین بازده انرژی پیل سوختی و نیز توان بالای موجود در باتری، استفاده می‌کند.

هنگامی که مصرف انرژی بالاست (مانند حالت شتاب) توان مورد نیاز خود توسط باتری و مجموعه پیل سوختی تأمین می‌شود. هنگامی که میزان مصرف انرژی پایین باشد (مانند حرکت در خیابان) پیل سوختی توان مورد نیاز را تأمین می‌کند. باتری‌ها طی زمانی که مصرف انرژی پایین است، شارژ خواهند شد. بنابراین، برای تامین توان و انرژی مورد نیاز، پیل سوختی برای حرکت معمولی و باتری برای با حداکثر توان، طراحی می‌شوند. انتخاب مجموعه باتری به عواملی همچون هزینه و عملکرد پیل سوختی، فناوری ساخت باتری و چرخه حرکتی بستگی دارد. استفاده از باتری، امکان راه‌اندازی سریع را به خودروی دارای پیل سوختی داده و آن را در برابر واکنش معکوس در پیل سوختی طی عملکرد و سوخت توده، محافظت و باتری حداکثر توان مورد نیاز را تأمین می‌کند. انرژی تولیدی می‌تواند بازیابی شود. زمان پاسخ سیستم خودرو به تغییرات بار، در حالت وجود باتری سریع‌تر است. پیل سوختی ترکیبی، دارای عملکرد خوب، زمان کارکرد طولانی و زمان سوختگیری سریع بوده و مسافت قابل توجیهی را طی می‌کند.

سایر مزایای وجود باتری عبارتند از:

▪ عدم نیاز خودرو به پیش‌گرم کردم پیل سوختی برای راه‌اندازی خودرو

▪ توانایی عملکرد خودرو در حالت کاملاً برقی طی زمانی که سیستم پیل قادر به عملکرد در سطح ولتاژ اسمی خود نیست.

▪ زمان پاسخ بسیار سریع‌تر برای تغییرات بار

از جمله معایب وجود باتری، می‌توان به هزینه، وزن و زمان بالای شارژ مجدد آن اشاره کرد. هزینه مجموعه باتری معمولاً متناسب با مقدار انرژی قابل ذخیره آن و هزینه پیل سوختی متناسب با میزان توان خواسته شده است. لذا باتری با ظرفیت توان بالا و ذخیره انرژی متوسط، ممکن است کمی گران باشد.

● اساس کار پیل سوختی

هیدروژن (سوخت) به ‌آند و اکسیژن (اکسیدان) به کاتد تزریق می‌شود. هر اتم هیدروژن، یک پروتون و یک الکترون دارد که با از دست دادن الکترون در آند به پرتون (H+) تبدیل می‌شود و به این ترتیب، قابلیت عبور از الکترولیت را پیدا می‌کند. الکترون‌ها نمی‌توانند از الکترولیت عبور کنند و از طریق اتصال خارجی به کاتد می‌رسند. در کاتد، الکترون‌های اکسیژن جذب شده روی کاتد و پروتون‌ها تشکیل آب می‌دهند که از سیستم خارج می‌شود. سیستم پیل سوختی، با قرار دادن موتور الکتریکی در مسیر جریان الکتریکی کامل می‌شود. اساس کار انواع پیل‌های سوختی مشابه یکدیگر است. در پیل‌های سوختی با عملکرد در دمای پایین، بین دو واکنش‌دهنده حایلی قرار گرفته که از سه فاز تشکیل شده و عبارتند از: الکترولیت و دو پوشش کاتالیزور روی الکترودها. طبیعت و نوع حایل، نقش اساسی در عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی دارد بویژه پیل‌های سوختی که الکترولیت آنها مایع است. در این‌گونه پیل‌ها، گازهای واکنش‌دهنده از لایه نازک الکترولیت (که مرطوب‌کننده خلل و فرج الکترود است) نفوذ می‌کنند و واکنش الکتروشیمیایی، روی سطح الکترود مربوطه انجام می‌شود. الکترولیت علاوه بر اینکه رسانای یون‌ها بین الکترودهاست، مانعی فیزیکی برای جلوگیری از انحراف جریان سوخت و اکسیدان از مسیر اصلی به شمار می‌آید.

۱) پیل‌های سوختی پلیمری یا دارای غشا مبادله‌کننده پروتون (دمای عملکرد ۷۰ تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد)

۲) پیل‌های سوختی قلیایی (دمای عملکرد ۶۰ تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد)

۳) پیل‌های سوختی اسید فسفریک (دمای عملکرد ۱۵۰ تا۲۰۰ درجه سانتی‌گراد)

۴) پیل‌های سوختی کربنات مذاب (دمای عملکرد ۵۵۰ تا ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد)

۵) پیل‌های سوختی اکسید جامد (دمای عملکرد ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد)

● مزایای کاربری پیل سوختی‌

۱) بازدهی بالا: پیل‌های سوختی از قوانین حاکم بر ماشین‌های گرمایی تبعیت نمی‌کنند، از این رو بازدهی آنها به ۳ برابر ماشین‌های گرمایی می‌رسد. بر اساس نوع طراحی، بازدهی الکتریکی پیل‌های سوختی حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد (کمترین ارزش گرمایی) است. هنگامی که از گرمای خروجی آنها نیز استفاده شود، بازدهی تقریباً ۸۵ درصد می‌شود.

۲) تنظیم سیستم بر حسب نیاز: پیل‌های سوختی بسیار قابل انعطاف هستند، یعنی می‌توان در هر لحظه یک یا چند توده پیل را به کار گرفت و یا از کار انداخت. توان خروجی آنها بسیار متغیر است (گستره توان خروجی از ۱۰۰ مگاوات برای سوخت ذغال‌سنگ تا بیش از ۵۰۰ مگاوات برای سوخت گاز طبیعی در تغییر است). ارزش تمام شده توده پیل به ازای هر کیلووات برای نیروگاه بزرگ و یا کوچک یکسان است. زیرا بازدهی الکتریکی، به طور منفرد محاسبه می‌شود و تعداد پیل‌ها بر بازدهی کلی، کم‌اثر است.

۳) سازگاری با قوانین زیست‌محیطی: پیل‌های سوختی دارای بازدهی بالا هستند و در هر توان خروجی، دی‌اکسید کربن تولید شده کم است. مقدار اکسیدهای نیتروژن و گوگرد به ترتیب حدود و کیلوگرم بر مگاوات ساعت است. این پیل‌ها بی‌سروصدا هستند و صدای ایجاد شده توسط آنها ۶۰ دسی‌بل در هر ۹ مترمربع بوده و از این رو قابل نصب در هر محلی هستند پیل‌های سوختی را می‌توان به‌گونه‌ای طراحی کرد که از لحاظ مقدار آب مورد نیاز، خودکفا باشند. به دلیل سازگاری پیل‌های سوختی با قوانین زیست‌محیطی کسب پروانه ساخت آنها در زمانی بسیار کوتاه صورت می‌گیرد.

۴) انعطاف‌پذیری نسبت به سوخت: هیدروژن، سوخت اصلی پیل‌های سوختی است که از تفکیک آب، گاز طبیعی، ذغال‌سنگ، متانول و دیگر پیل‌های سوختی هیدروکربنی به دست می‌آید. در زمان عدم دسترسی به این منابع، می‌توان با توجه به منابع موجود در محل، هیدروژن مورد نیاز را تأمین کرد.

۵) افزایش تولید و کاهش توزیع: با توجه به نیاز روزافزون به انرژی در مناطق دوردست، در صورت استفاده از پیل‌های سوختی، مشکلات توزیع با کاهش خطوط جدید انتقال انرژی برطرف می‌شود. هم‌اکنون ۸ تا ۱۰ درصد از انرژی تولیدی بین نیروگاه و مصرف‌کننده‌ها از طریق خطوط انتقال کاهش می‌یابد. همچنین خطر ناشی از میدان‌های الکترومغناطیسی موجود در اطراف خطوط انتقال نیرو در ولتاژ بالا، از بین می‌رود. از آن‌جا که امکان استفاده از چندین واحد پیل سوختی در مناطق مختلف وجود دارد، با از کار افتادن یک یا چند پیل، شبکه برخلاف خطوط انتقال فعلی، آسیبی جدی نمی‌بیند.

۶) قابلیت ترکیب با سیستم‌های دیگر و تولید انرژی با استفاده از گرمای خروجی پیل‌های سوختی که به این ترتیب، گرمای خروجی از پیل، بازیافت می‌شود.

۷) عدم نیاز به تعمیر: از آن‌جا که پیل‌های سوختی فاقد قطعات متحرک هستند نیازی به تعمیر‌های پی‌در‌پی نداشته و تنها به تعویض فیلتر هوا و مواد نیاز دارند. حداقل زمان تعویض قطعات، ۵ سال است، اما انتظار می‌رود که این زمان به ۲۰ سال یا بیشتر هم برسد.

● انواع پیل‌های سوختی مورد استفاده در صنعت خودرو

▪ پیل سوختی الکترولیت پلیمر جامد

این پیل از یک غشای تبادل یون به عنوان الکترولیت استفاده می‌کند. این نوع پیل‌ها ابتدا در دهه ۱۹۶۰ مورد استفاده قرار گرفت. امروزه، استفاده از این فناوری که در ارتباط با برنامه فضایی ایالات متحده (جیمنی) بود، در حیطه حمل‌و‌نقل مورد تأکید قرار گرفته است.

▪ پیل سوختی متانول مستقیم

راه حلی خوب در وسایل نقلیه الکتریکی، استفاده از این نوع پیل (DMFC) است. حدود ۳۰ سال است که تحقیقات در زمینه ‌آن، آغاز شده و کاربرد آن در وسایل نقلیه، رویای محققان پیل سوختی به شمار می‌آید. گرچه متانول ساده‌ترین نوع ماده آلی است، اما فعالیت ا لکتروشیمیایی آن حدود ۳ درجه کمتر از هیدروژن و از این رو، چگالی جریان تولید آن پایین است. فعالیت کاتالیزور در این نوع پیل سوختی، به دلیل مسمومیت بالا، به شدت افت می‌کند. به‌رغم این مشکلات که می‌بایستی رفع شوند، استفاده از پیل سوختی متانول مستقیم به علت حمل‌و‌نقل راحت متانول و نداشتن مشکلات ذخیره‌سازی و امنیتی هیدروژن بسیار مورد توجه محققان است.

● عوامل مؤثر در انتخاب فناوری مناسب خودروهای پیل سوختی

برای انتخاب فناوری مناسب برای خودروهای پیل سوختی، عوامل مؤثر زیادی نظیر زیر ساخت سوخت، هزینه سوخت، هزینه واحد انرژی در خودرو، نوع سوخت مصرفی، ایمنی خودرو، برد خودرو (فاصله بین دو سوخت‌گیری)، شکل خودرو (از لحاظ توپولوژی و فضای داخلی) محل نصب مخزن و نوع توده پیل سوختی وجود دارد. بررسی وضعیت کنونی خودروهای پیل سوختی نیاز به زمان داشته و باید دید که چگونه خودروهای پیل سوختی خواهند توانست جایگاهی ویژه در بازار فروش به دست آورند.

معصومه حنانی

پانوشت

۱ . William Groh

۲ . loudvic Mond

۳ . Charles lenjer

۴ . Balard

منابع

۱ . بولتن همایش پیل‌های سوختی دانشگاه صنعتی شریف، ۱۳۸۲.

۲ . http://web.mit.edu

۳ . http://www.news.cornell.edu

۴ . http://www.eere.energy.gov