تکنولوژی پیل سوختی چگونه به کمک بشر آمده است؟

امروزه بیش از هرزمانی، “خودروهای سبز”، جایگاه خود را در میان بازار رنگارنگ خودرو های بنزینی و دیزلی پیدا کرده اند. شرکت ها و کارخانه های فراوانی با استخدام مهندسین و متخصصین، سعی بر عرضه تکنولوژی هایی دارند که بتوانند زمین را از چنگال آلودگی و حتی مرگ رهانیده و عمر دوباره ای به آن ببخشند. حتی سیاستمداران کشورهایی مانند فرانسه و بریتانیا به کمک علم و تکنولوژی آمده اند و فروش خودروهای دیزلی و بنزینی را بعد از سال 2040 ممنوع کرده اند. حتی کشورهایی مانند نروژ و هلند نیز قصد تصویب مصوبه ای را دارند که از فروش خودروهای بنزینی و دیزلی بعد از سال 2025 ممانعت به عمل بیاورند. یکی از تکنولوژی هایی که سروصدای زیادی در عرصه جهانی به راه انداخته است، تکنولوژی پیل سوختی است. در ادامه نحوه عملکرد خودروهای پیل سوختی را با هم بررسی خواهیم کرد.

خودروهای پیل سوختی (Fuel Cell Vehicles) یا به اختصار  FCVs معمولا از سوخت “هیدروژن” برای قدرت بخشیدن به موتور الکتریکی استفاده می­کنند. گرچه اخیرا سوخت هایی مانند “متان یا CH₄” نیز مطرح شده اند اما همچنان هیدروژن در اولویت استفاده در پیل های سوختی قرار گرفته است. برخلاف ماشین های بنزینی و دیزلی، خودروهای FC، از ترکیب اکسیژن و هیدروژن برای تولید الکتریسیته استفاده می­کنند.

تنها محصول فرآیند تبدیل گاز هیدروژن به الکتریسیته، آب است. بله آب، همین آبی که روزانه آن را می­نوشید. گرما نیز یکی از محصولات اضافی این فرآیند به شمار می­آید. از آنجایی که فقط آب از اگزوز خودرو خارج شده، از این خودروها به عنوان Zero-emission یا نشر آلودگی صفر درصد یاد می­شود.

تولید هیدروژن به خودی خود آلودگی به همراه داشته و گازهای گلخانه ای را وارد محیط می­کند. اما در قیاس با تولید بنزین و دیزل، تا 30درصد این آلودگی کمتر است. حتی تکنولوژی هایی در شهر کالیفرنیا معرفی شده اند که میتواند هیدروژن را با آلودگی کمتر تولید کند.

عملکرد پیل سوختی

در تصویر بالا نحوه کارکرد یک پیل سوختی ساده را مشاهده می­کنید.

پیل سوختی وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. عملکرد پیل سوختی مانند باتری نیست که انرژی را ذخیره کند، بلکه پیل سوختی حالتی از انرژی به حالت دیگر تبدیل می‌کند، به طوری که در این تبدیل، مواد داخل پیل مصرف نمی‌شوند . گاز هیدروژن به دلیل تمایل واكنش دهندگی بالا، فراوانی و عدم آلایندگی محیط زیست، به عنوان سوخت ایده‌آل در پیل‌سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر پيل سوختی از سه جزء اصلی تشکيل شده‌است: الکترود آند، الکترود کاتد و الکتروليت يا غشا. گاز هيدروژن که به عنوان سوخت به کار می‌رود، به الکترود آند وارد شده و در آنجا با از دست دادن الکترون، اکسايش می‌يابد. طی اين واکنش يون هيدروژن مثبت و الکترون توليد می‌شود. يون‌های هيدروژن به همراه الکترون‌ها از کاتد به آند انتقال یافته و انتقال يون‌های هيدروژن از طريق الکتروليت و انتقال الکترون از طريق يک مدار خارجی صورت می‌گيرد. اکسيژن موجود در کاتد با الکترون‌ها و يون‌های هيدورژن واکنش داده و آب را توليد می‌کند.

نحوه سوخت گیری در پیل های سوختی

پیل های سوختی همانند پمپ های بنزین، در ایستگاه های هیدروژن تحت فشار پُر می­شوند. زمانی کمتر از 10دقیقه نیاز است تا یک پیل سوختی در خودروهای امروزی سوخت­گیری شود. قطعا میزان پیمایش خودروهای مجهز به پیل سوختی با یک مخزن پر از هیدروژن با همدیگر متفاوت است، اما در حالت کلی با یک مخزن پر از هیدروژن، توانایی پیمودن 200تا300 مایل (320 تا 480 کیلومتر) وجود خواهد داشت.

نگاهی به درون خودروهای پیل سوختی

در تصویر زیر نحوه قرارگیری و عملکرد هریک از دستگاه های مورد نیاز فرآیند تولید الکتریسیته از هیدروژن را مشاهده می­فرمایید:

 

معرفی تویوتا میرای (Mirai) – برنده جایزه برترین “خودرو سبز” در سال 2016 میلادی

تویوتا میرای که از تکنولوژی پیل سوختی بهره می­برد، در سال 2016 برنده جایزه بهترین خودرو سبز را نصیب خود کرد. این خودرو از پیل سوختی مدل Solid Polymer بهره برده و ماکزیمم توان خروجی آن 153 اسب بخار و یا 114 کیلووات است. موتور الکتریکی این خودرو توان خروجی 151 اسب بخار و گشتاور 335 نیوتون متر را داراست. تویوتا میرای از دو مخزن فیبرکربنی Type-4 هیدروژن برای سوخت­گیری استفاده می­کند.

اگر بخواهیم میزان مصرف الکتریسیته را بنزین تبدیل کنیم. خودرو تویوتا میرای به ازای استفاده هر لیتر بنزین قادر خواهد بود تقریبا 29 کیلومتر را بپیماید (هر 100 کیلومتر 3.45 لیتر بنزین).

سرعت تویوتا میرای حداکثر 111 مایل بر ساعت (178 کیلومتر بر ساعت) بوده و شتاب صفر تا 60 را در 9ثانیه پر می­کند.

نگاهی اجمالی به نحوه عملکرد پیل سوختی در خودرو تویوتا میرای

همه چیز با هیدروژن آغاز خواهد شد. زمانی که سوخت­گیری انجام ­شود، هیدروژن به درون مخزن تقویت شده فیبرکربنی رفته و ذخیره می­شود.

صفحات شبکه ه­ای جلو خودرو تویوتا میرای، هوای محیط بیرون را به درون خودرو کشانده و از آن در پیل سوختی استفاده می­کند.

هیدروژن از تانک ذخیره به محفظه پیل سوختی می­رود. در یک واکنش شیمیایی که اکسیژن هوای ورودی نیز در آن حضور دارد، الکتریسیته به منظور قدرت بخشیدن به خودرو، تولید می­شود.

زمانی که پای خود را روی پدال گاز می­گذارید، الکتریسیته تولیدی در پیل سوختی به موتور انتقال می­یابد.

در نهایت تنها محصول جانبی این پیل سوختی، آب است. این آب از طریق اگزوز از خودرو خارج می­شود.

درست است که تا سالیان بعد خودروهایی با تکنولوژی پیل سوختی در کشور ما، ایران، دیده نخواهند شد اما با توجه به وضعیت کشور ما در میزان آلاینده ­ها – مخصوصا در شهر تهران – ضروری است که به سمت خودروهای سبز حرکت کرده تا به مثابه خیلی مسائل دیگر، در آینده احساس پشیمانی به سراغمان نیاید.