پیل سوختی، بهترین پیشنهاد برای جایگزینی بنزین است. این سیستم ها فاقد هرگونه آلودگی و اجزای متحرک هستند. بازده پیل های سوختی افزون بر ۳ برابر موتورهای درونسوز است. اکثر انواع پیل سوختی، از هیدروژن به عنوان منبع تجدید پذیر استفاده می کنند. کاربرد پیل های سوختی، وابستگی به منابع محدود سوخت های فسیلی را کاهش می دهد. دیگر مزایای آن در این مقاله تشریح خواهد شد.

پیل سوختی از گذشته تا حال

در ۱۸۳۹، ویلیام گرو۱ فیزیکدان و روزنامه نگار 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 کوچک تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می کرد. سابقه تولید پیل سوختی به ۱۸۸۹ باز می گردد. در این سال، اولین پیل سوختی توسط لودویک من۲ و چارلز لنجر۳ ساخته شد. در اوایل قرن بیستم، تلاش هایی 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 پیل های سوختی در سفینه های «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 جنرال موتور امریکا ساخته شد. از ۱۹۹۰، با سرمایه گذاری های بیشتر، فناوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است. از دهه ی ۸۰ به بعد، شرکت بالارد۴ در کانادا، تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت نوعی زیردریایی که در آن از پیل سوختی استفاده می شد، 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 بهره برداری قرار گرفت. این هواپیما توان پرواز طولانی (۶ ماه) و بی وقفه را دارد و با حرکت مستمر خود در یک منطقه از آسمان، کاربردهای وسیعی در زمینه های 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 می کند. 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 می شود، اما در این تبدیل، مواد داخل پیل مصرف نمی شود. همچنین، چگالی انرژی باتری کمتر از پیل سوختی است و فرایند شارژ باتری بسیار پیچیده تر از پر کردن مخزن پیل سوختی است. در باتری ها، توان تبدیلات الکتروشیمیایی بعد از چندین بار شارژ شدن کاهش می یابد، اما در پیل های سوختی چنین محدودیتی وجود ندارد. مثلا، توده پیل های 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 هیچ گونه باتری کمکی استفاده نمی شود. پیل سوختی، مشابه باتری خودروهای برقی، جریان الکتریسیته مورد نیاز موتور و نیروی محرکه را تولید می کند. سیستم نیرو محرکه، شامل یک معکوس کننده برای تبدیل جریان پیل سوختی از DC به AC با فرکانس ولتاژ متغیر، یک رتور AC و یک سیستم انتقال نیرو از موتور به چرخ های 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 می کند.

هنگامی که مصرف انرژی بالاست (مانند حالت شتاب) توان مورد نیاز خود توسط باتری و مجموعه پیل سوختی تأمین می شود. هنگامی که میزان مصرف انرژی پایین باشد (مانند حرکت در خیابان) پیل سوختی توان مورد نیاز را تأمین می کند. باتری ها 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 می شوند. انتخاب مجموعه باتری به عواملی همچون هزینه و عملکرد پیل سوختی، فناوری ساخت باتری و چرخه حرکتی بستگی دارد. استفاده از باتری، امکان راه اندازی 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 می کند. انرژی تولیدی می تواند بازیابی شود. زمان پاسخ سیستم خودرو به تغییرات بار، در حالت وجود باتری سریع تر است. پیل سوختی ترکیبی، دارای عملکرد خوب، زمان کارکرد طولانی و زمان سوختگیری سریع بوده و مسافت قابل توجیهی را طی می کند.

سایر مزایای وجود باتری عبارتند از:

عدم نیاز خودرو به پیش گرم کردم پیل سوختی برای راه اندازی 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 سریع تر برای تغییرات بار

از جمله معایب وجود باتری، می توان 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 می شود. هر اتم هیدروژن، یک پروتون و یک الکترون دارد که با از دست دادن الکترون در آند به پرتون (H+) تبدیل می شود و به این ترتیب، قابلیت عبور از الکترولیت را پیدا می کند. الکترون ها نمی توانند از الکترولیت عبور کنند و از طریق اتصال خارجی به کاتد می رسند. در کاتد، الکترون های اکسیژن جذب شده روی کاتد و پروتون ها تشکیل آب می دهند که از سیستم خارج می شود. سیستم پیل سوختی، با قرار دادن موتور الکتریکی در مسیر جریان الکتریکی کامل می شود. اساس کار انواع پیل های سوختی مشابه یکدیگر است. در پیل های سوختی با عملکرد در دمای پایین، بین دو واکنش دهنده 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 پیل های سوختی که الکترولیت آنها مایع است. در این گونه پیل ها، گازهای واکنش دهنده از لایه نازک الکترولیت (که مرطوب کننده خلل و فرج الکترود است) نفوذ می کنند و واکنش الکتروشیمیایی، روی سطح الکترود مربوطه انجام می شود. الکترولیت علاوه بر اینکه رسانای یون ها بین الکترودهاست، مانعی فیزیکی برای جلوگیری از انحراف جریان سوخت و اکسیدان از مسیر اصلی به شمار می آید.

پیل های سوختی بر حسب نوع الکترولیت به ۵ دسته زیر تقسیم می شوند:

۱) پیل های سوختی پلیمری یا دارای غشا مبادله کننده پروتون (دمای عملکرد ۷۰ تا ۹۰ درجه سانتی گراد)

۲) پیل های سوختی قلیایی (دمای عملکرد ۶۰ تا ۹۰ درجه سانتی گراد)

۳) پیل های سوختی اسید فسفریک (دمای عملکرد ۱۵۰ تا۲۰۰ درجه سانتی گراد)

۴) پیل های سوختی کربنات مذاب (دمای عملکرد ۵۵۰ تا ۷۰۰ درجه سانتی گراد)

۵) پیل های سوختی اکسید جامد (دمای عملکرد ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد)

مزایای کاربری پیل سوختی

۱) بازدهی بالا: پیل های سوختی از قوانین حاکم بر ماشین های گرمایی تبعیت نمی کنند، از این رو بازدهی آنها به ۳ برابر ماشین های گرمایی می رسد. بر اساس نوع طراحی، بازدهی الکتریکی پیل های سوختی حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد (کمترین ارزش گرمایی) است. هنگامی که از گرمای خروجی آنها نیز استفاده شود، بازدهی تقریباً ۸۵ درصد می شود.

۲) تنظیم سیستم بر حسب نیاز: پیل های سوختی بسیار قابل انعطاف هستند، یعنی می توان 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 ذغال سنگ 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 می شود و تعداد پیل ها بر بازدهی کلی، کم اثر است.

۳) سازگاری با قوانین زیست محیطی: پیل های سوختی دارای بازدهی بالا هستند و در هر توان خروجی، دی اکسید کربن تولید شده کم است. مقدار اکسیدهای نیتروژن و گوگرد به ترتیب حدود و کیلوگرم بر مگاوات ساعت است. این پیل ها بی سروصدا هستند و صدای ایجاد شده توسط آنها ۶۰ دسی بل در هر ۹ مترمربع بوده و از این رو قابل نصب در هر محلی هستند پیل های سوختی را می توان به گونه ای طراحی کرد که از لحاظ مقدار آب مورد نیاز، خودکفا باشند. به دلیل سازگاری پیل های سوختی با قوانین زیست محیطی کسب پروانه ساخت آنها در زمانی بسیار کوتاه صورت می گیرد.

۴) انعطاف پذیری نسبت به سوخت: هیدروژن، سوخت اصلی پیل های سوختی است که از تفکیک آب، گاز طبیعی، ذغال سنگ، متانول و دیگر پیل های سوختی هیدروکربنی به دست می آید. در زمان عدم دسترسی به این منابع، می توان 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 پیل های سوختی، مشکلات توزیع با کاهش خطوط جدید انتقال انرژی برطرف می شود. هم اکنون ۸ تا ۱۰ درصد از انرژی تولیدی بین نیروگاه و مصرف کننده ها از طریق خطوط انتقال کاهش می یابد. همچنین خطر ناشی از میدان های الکترومغناطیسی موجود در اطراف خطوط انتقال نیرو در ولتاژ بالا، از بین می رود. از آن جا 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 نمی بیند.

۶) قابلیت ترکیب با سیستم های دیگر و تولید انرژی با استفاده از گرمای خروجی پیل های سوختی که به این ترتیب، گرمای خروجی از پیل، بازیافت می شود.

۷) عدم نیاز به تعمیر: از آن جا که پیل های سوختی فاقد قطعات متحرک هستند نیازی به تعمیر های پی در پی نداشته و تنها به تعویض فیلتر هوا و مواد نیاز دارند. حداقل زمان تعویض قطعات، ۵ سال است، اما انتظار می رود که این زمان به ۲۰ سال یا بیشتر هم برسد.

انواع پیل های سوختی مورد استفاده در صنعت خودرو

پیل سوختی الکترولیت پلیمر جامد

این پیل از یک غشای تبادل یون به عنوان الکترولیت استفاده می کند. این نوع پیل ها 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 حمل و نقل 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 می آید. گرچه متانول ساده ترین 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 می کند. به رغم این مشکلات که می بایستی رفع شوند، استفاده از پیل سوختی متانول مستقیم به علت حمل و نقل راحت متانول و نداشتن مشکلات ذخیره سازی 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 سوخت گیری)، 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