خودروی هیدروژنی چیست و چطور کار می کند؟

اقتصاد۲۴ – پیش از آنکه به جنبه‌های فنی یک خودروی پیل سوختی (Fuel Cell) بپردازیم، بهتر است ابتدا مفهوم یک پیل سوختی را به ساده‌ترین شکل مرور کنیم. پیل سوختی، همان‌گونه که از نام آن مشخص است یک باتری است که البته برخلاف باتری‌های معمولی برای تولید انرژی الکتریکی نیاز به سوخت دارد.

برای درک بهتر از کارکرد یک پیل سوختی بهتر است یک‌بار اطلاعات درس علوم دوران راهنمایی را مرور کنیم (البته زمانی که راهنمایی هنوز یکی از مقاطع تحصیلی آموزش‌وپرورش 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 می‌کردیم و درون آب قرار می‌دادیم و با وصل شدن جریان الکتریسیته، آب به دو عنصر سازنده‌اش هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شد. به‌صورت 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 می‌گذارد چراکه در این پیل‌ها، اکسیژن هوا با هیدروژن ترکیب می‌شود و در این واکنش الکتریسیته و آب (البته به‌صورت بخار) تولید خواهد شد. البته این ترکیب به همین سادگی شکل نمی‌گیرد، اما اصول کاری یک سلول پیل سوختی دقیقا بر اساس ترکیب همین دو عنصر و تولید الکتریسیته استوار است.

پیل سوختی در عمل

همان‌گونه که گفتیم اصول کاری پیل سوختی بر ایجاد پیوند میان دو عنصر اکسیژن و هیدروژن و تولید آب و الکتریسیته استوار است. تا اینجای کار همه‌چیز خوب به نظر می‌رسد 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 نمی‌کند. مشکل، اما وقتی آشکار می‌شود که اکسیژن و هیدروژن از ترکیب شدن با هم سر باز می‌زنند!

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 پیچیدگی‌های یک سلول پیل سوختی مشخص می‌شود. برای آنکه بتوان هیدروژن و اکسیژن را با هم ترکیب کرد نیاز است ساختار آن‌ها شکسته 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.

در یک سلول سوختی، گاز هیدروژن به‌صورت‌H۲ به یک سمت پیل تزریق می‌شود که حکم آند را در باتری‌های معمولی دارد (این گاز در اصل حکم سوخت را دارد و عملا مصرف می‌شود و واژه پیل «سوختی» نیز به همین دلیل به این سیستم داده شده است). ساختار گاز هیدروژن در مواجهه با کاتالیزور (که به‌طور معمول از جنس پلاتین است) 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 (که می‌تواند ساختار‌های مختلفی داشته باشد و در بخش بعدی بررسی خواهد شد) 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 ناچارند در مدار خارجی جریان پیدا کنند و به این ترتیب به سمت مصرف‌کننده جریان الکتریکی (که در اینجا موتور الکتریکی خودرو است) می‌روند. در داخل پیل سوختی یون‌های هیدروژن (که بار مثبت دارند و الکترون خود را از دست داده‌اند) 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 هیدروژن و اکسیژن، آب است.

به این ترتیب در پروسه این فعل‌وانفعالات، جریان الکتریسیته، آب و البته مقداری گرما تولید می‌شود. این گرما باعث می‌شود آب تولید شده به‌صورت بخار باشد و به همین دلیل است که از اگزوز خودرو‌های مجهز به پیل سوختی بخار آب خارج می‌شود. در این فرآیند هیچ آلاینده زیست‌محیطی تولید نمی‌شود و خروجی خودرو تنها بخار آب است و به همین دلیل این خودرو‌ها جزو خودرو‌های فاقد آلایندگی طبقه‌بندی می‌شوند.

در پروسه کاری پیل سوختی نیاز است در سمت آند هیدروژن وجود داشته باشد و در سوی دیگر (کاتد) هم جریان اکسیژن به‌طور پیوسته در اختیار باشد تا عمل ترکیب این دو ماده کامل شده و الکترون‌ها بتوانند جریان پیدا کنند، اما این دو ماده از چه منبعی در اختیار پیل سوختی قرار می‌گیرند؟

همان‌گونه 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 دشوار نیست؛ اکسیژن به‌صورت O۲ 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 به‌طور پیوسته به پیل تزریق می‌شود تا بتواند اکسیژن لازم برای کارکرد پیل را تأمین کند. در سمت دیگر پیل نیاز به هیدروژن داریم، اما متاسفانه نمی‌توان هیدروژن را از هوای اطراف گرفت.

هیدروژن سبک‌ترین 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 خودرو‌ها از مخازن هیدروژن مایع استفاده می‌شود. مایع‌سازی هیدروژن 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 هیدروژن 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 راه‌حل هرچند در مقیاس آزمایشگاهی مناسب است، اما استفاده از آن در مقیاس صنعتی مقرون‌به‌صرفه نیست. خوشبختانه یکی از فراوان‌ترین منابع هیدروژن، هیدروکربن‌ها هستند. همان‌گونه که از نامشان مشخص است، هیدروکربن‌ها متشکل از هیدروژن و کربن بوده و به‌طور معمول به‌عنوان سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرند (گاز طبیعی و نفت از انواع هیدروکربن‌ها هستند). در صنعت نیز طی فرآیندی با بهره‌گیری از بخار آب داغ در فشار بالا و البته یک کاتالیزور، می‌توان هیدروژن این ترکیبات را آزاد کرد. در کنار این، از حرارت دادن کُک با حضور آب نیز هیدروژن به دست می‌آید.

در حال حاضر هیدروژن در مقادیر زیاد در صنعت تولید می‌شود چراکه در بسیاری از فرآیند‌ها همچون تولید آمونیاک از هیدروژن استفاده می‌شود ضمن آنکه کاربرد‌های صنعتی دیگری همچون خنک‌کاری، احیای سنگ معدن‌های فلزی، تولید متانول و تولید بعضی اسید‌ها هم از دیگر موارد مصرف هیدروژن است و به این ترتیب برای عملی کردن ایده تولید انبوه خودرو‌های پیل سوختی مشکلی در تأمین هیدروژن لازم برای کارکرد این خودرو‌ها وجود ندارد هرچند این سوخت تولید شده نیاز به زیرساخت‌هایی برای انتقال و عرضه دارد که در حال حاضر اصلی‌ترین مشکل عرضه انبوه خودرو‌های پیل سوختی است.

خودروی پیل سوختی چگونه کار می‌کند؟

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 می‌شود. البته پیل سوختی ما ابعاد کوچکی دارد و جریان الکتریکی محدودی نیز تولید می‌کند که برای راه‌اندازی موتور خودرو کافی نیست. به همین دلیل تعداد زیادی از این پیل‌های کوچک در کنار هم قرار می‌گیرند تا بتوانند نیرو‌بخش خودرو باشند. این مجموعه به‌عنوان قلب سیستم است 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).

هیدروژن 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. 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.