پایگاه اطلاع‌رسانی گروه صنعتی ایران خودرو

ایکوپرس

شناسه خبر: ۱۱۶۹۰ دوشنبه ۴ شهریور ۱۳۹۲ - ۱۱:۳۹ تعداد بازدید: ۱۸۰۱ Print View

نگاهی به فناوری استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در خودروهای پیل سوختی

هیدروژن به جای بنزین

هیدروژن به جای بنزین

جواد قارلقی

خودروهای پیل سوختی (fuel cell) یکی از بهترین گزینه­ها برای کاهش مصرف سوخت و آلودگی­های دی­اکسید کربن هستند. این خودروها از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می­کنند. هیدروژن می­تواند مستقیما در خودرو ذخیره شود و یا این که از تبدیل متانول و یا هیدروکربن­های مشتق‌شده از نفت خام، با استفاده از مبدل­ها در خودرو، تولید شود. طراحی خودرو پیل سوختی با مخزن ذخیره هیدروژن ساده­تر از استفاده از مبدل­ها در خودرو است، اما نیاز به زیرساخت­های پیچیده سوخت­رسانی دارد که در بیش تر کشورها وجود ندارد. از طرفی چگالی پایین هیدروژن و مباحث ایمنی از جمله چالش­های ساخت مخازن ذخیره­سازی هیدروژن است. روش­های زیادی برای تولید هیدروژن وجود دارد، اما اکثر این روش ها اقتصادی و مقرون به صرفه نیستند و به همین دلیل در این مطلب به آن ها نمی‌پردازیم.

امروزه میلیون ها نفر از مردم به خودروها به عنوان عامل اصلی حمل و نقل وابسته هستند. خودروها مناسب‌ترین و موثرترین وسیله برای مسافرت هستند. متاسفانه اکثر خودروها ازسوخت­های فسیلی استفاده می­­کنند. با مصرف بنزین در موتورهای درون‌سوز، مونواکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن، هیدروکربن ها و دی‌اکسید کربن تولید می­شود. این مواد شیمیایی موجب آلودگی هوا، باران­های اسیدی و تجمع گازهای گلخانه­ای در جو و نهایتا موجب تخریب لایه اوزن می­شود. در مناطقی مانند استرالیا به دلیل تخریب لایه اوزن این تابش بسیار شدید است. گذشته از تخریب محیط زیست، بنزین منبع انرژی محدود و رو به پایانی است.

این مشکلات خودروسازان را وادار به ساختن خودرویی کرده است که عاری از این نقایص باشد. بنا­براین باید منبع انرژی ارزان و موثری سریعا تهیه شود. به طور ایده­آل این منبع انرژی باید از نظر مقدار نامحدود و با محیط زیست سازگار باشد. موارد متعددی مورد توجه است. بهترین جایگزین بنزین، پیل سوختی است. سیستم­های پیل سوختی هیچ گونه آلودگی نداشته و اجزای متحرک ندارند. راندمان پیل‌های سوختی بیش از سه برابر موتورهای احتراق داخلی است. باوجود آن که بنزین توسط موتورهای احتراق داخلی مصرف می‌شود اکثر پیل‌های سوختی از هیدروژن به عنوان منبع تجدید پذیر استفاده می­کنند. کاربرد پیل­های سوختی وابستگی به منایع محدود سوخت­های فسیلی را کاهش می­دهد.

پیل سوختی

پیل سوختی دستگاهی است الکتروشیمیایی که انرژی شیمیایی حاصل از یک واکنش شیمیایی را به انرژی الکتریکی مفید تبدیل می­کند. تبدیل انرژی در پیل سوختی تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است.

سلول­های سوختی همانند یک نیروگاه بسیار کوچک الکتروشیمایی هستند که از انجام واکنش بین هیدروژن و اکسیژن و انرژی حاصل از آن استفاده می­کنند. بازدهی تبدیل انرژی در این سیستم بسیار بالاست و بسته به نوع سوخت مصرفی میزان مواد خروجی از آن بسیار کم و یا در حد صفر است. سلول­ها یا همان پیل‌های سوختی که با هیدروژن کار می­کنند، فاقد هرگونه آلودگی بوده و مواد خروجی از آن‌ها صرفاً بخار آب خالص است. در شکل 1 اساس کار پیل سوختی نشان داده شده است.

خودروهای پیل سوختی

به طور کلی خودروهای پیل سوختی را می­توان به دو دسته خودروهای پیل سوختی خالص و خودروهای پیل سوختی هیبریدی تقسم­بندی کرد.

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

یک خودروی پیل سوختی ترکیبی دارای یک باتری با یک خازن با ظرفیت بالا به صورت موازی با سیستم پیل سوختی است.

پیل سوختی هیبریدی به طور هم‌زمان از بیش‌ترین بازده انرژی پیل سوختی و نیز چگالی توان بالای موجود در باتری استفاده می­کند. در هنگامی که مصرف انرژی بالاست مانند حالت شتاب، توان مورد نیاز ماشین را باتری و مجموعی پیل سوختی تامین خواهند کرد. وقتی میزان مصرف انرژی پایین باشد، مانند حرکت در خیابان، پیل سوختی توان مورد نیاز را تامین می­کند. باتری­ها در طی مدت 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 تولید ماکزیمم طراحی می­شوند. انتخاب مجموعه باتری به عواملی چون هزینه و عملکرد پیل سوختی و فناوری ساخت باتری و سیکل حرکتی بستگی دارد. استفاده از باتری امکان راه اندازی سریع را به خودروی پیل سوختی داده و آن را در مقابل واکنش معکوس در پیل سوختی طی عملکرد توده محافظت می­کند. به علاوه باتری حداکثر توان مورد نیاز را تامین می­کند. انرژی باز تولیدی می­تواند بازیابی شود. زمان پاسخ سیستم خودرو به تغییرات بار درحالت وجود باتری سریع­تر است. پیل سوختی ترکیبی دارای عملکرد خوب، زمان کارکرد طولانی و زمان سوخت­گیری سریع بوده و مسافت قابل توجهی را طی می­کند.

تولید و ذخیره­سازی هیدروژن

هیدروژن می­تواند مستقیما در خودرو ذخیره شود و یا این که از تبدیل متانول و یا هیدروکربن­های مشتق شده از نفت خام، با استفاده از مبدل­ها در خودرو، تولید شود.

متانول

یکی از مهم­ترین و مناسب­ترین گزینه­ها برای تولید هیدروژن مورد نیاز برای خودروهای پیل سوختی متانول است. متانول می­تواند به دو صورت مستقیم و غیر مستقیم در پیل­های سوختی مورد استفاده قرار گیرد.

در روش غیر مستقیم، متانول با استفاده از یک مبدل سوختی خارجی تبدیل به هیدروژن شده و هیدروژن حاصله در پیل سوختی مصرف می­شود.

متانول و آب بخار شده در یک راکتور کاتالیستی با هم واکنش داده و دی­اکسید کربن و هیدروژن تولید می‌کنند. امروزه مبدل­های بخاری متانول در دماهای بین 200 تا 300 درجه سانتی­گراد کار می­کنند. یک مول متانول، سه مول هیدروژن تولید می­کند. این بدان معنی است که یک مول هیدروژن اضافی، از آب مخلوطی ناشی شده است. در عمل واکنش بالا تنها یکی از مجموعه واکنش­های انجام شده است و مجموعه مواد حاصله از واکنش شامل هیدروژن، دی­اکسید کربن و مونواکسید کربن خواهد شد. مونواکسید کربن طی یک مرحله واکنش در دمای بالا که بلافاصله با یک مرحله واکنش در دمای پایین به دی­اکسید کربن و هیدروژن اضافی تبدیل می­شود. در هر دو مرحله واکنش تبدیل گاز-مایع صورت می­گیرد.

واکنش تبدیل گاز-مایع واکنشی گرمازاست، بنابراین اگر گرمای زیادی تولید شود موجب کندی واکنش فوق می­شود. پس در عمل برای جلوگیری از مشکل فوق در هر مرحله یک خنک­کن میانی قرار داده می­شود. بهترین کاتالیزور برای واکنش تبدیل دما بالا، مخلوطی از آهن و اکسید کرم است که بهترین عملکرد آن در دمای 450 تا 550 درجه سانتی­گراد است. در واکنش تبدیل دما پایین، کاتالیزور مس است که مشابه کاتالیزورهایی که در مبدل­های بخاری متانول به کار رفته بود است و در همان شرایط به کار می­رود.

اما در روش مستقیم، متانول مستقیما وارد پیل سوختی متانولی شده و مصرف می­شود. سیستم پیل سوختی متانولی با سیستم­های پیل سوختی پلیمری هیدروژنی متفاوت بوده و هنوز در مرحله تحقیقات قرار دارد. متانول با استفاده از سایر سوخت­های فسیلی از نسبت هیدروژن به کربن بالاتری برخوردار است که در حال حاضر با توجه به میزان تقاضا و مصارف زیاد آن در بسیاری از مجتمع­های پتروشیمی تولید می­شود.

 بنزین

یکی دیگر از جایگزین­های هیدروژن جهت استفاده در خودروهای پیل سوختی بنزین است. به علت وجود زیرساخت قوی در زمینه­های تولید، حمل، ذخیره­سازی و توزیع بنزین، بسیاری از محققان و شرکت­های خودروسازی معتقد به طراحی سیستم مبدل سوختی بنزینی برای تولید هیدروژن هستند. تولید مبدل­های سوختی بنزینی هنوز مانند مبدل­های متانولی فراگیر نشده است. در این روش سوخت فسیلی گازی یا مایع در حضور (بخار) آب و اکسیژن یا هوا به صورت جزیی اکسید شده و تبدیل به مخلوطی از گاز می­شود که عمدتا هیدروژن و مونواکسید کربن است. این ترکیب را پس از گذراندن از صافی می­توان مستقیما در پیل‌های سوختی دما بالا تزریق کرد.

دومین واکنش مهم برای تولید هیدروژن در مقیاس صنعتی اکسایش جزیی است. این روش وقتی که هیدروکربن­های سنگین­تر و یا زمانی که اکسیژن خالص در دسترس است مورد استفاده قرار می­گیرد. این واکنش هنگامی که اکسیژن کمتری نسبت به مقدار استوکیومتری آن که برای تولید دی­اکسید کربن و آب پایدار لازم است موجود باشد، رخ می­دهد.

لازم به ذکر است که بنزین­های موجود که خوراک آند پیل­های امروزی را تشکیل می­دهند دارای گوگرد و سایر مواد ناخالصی هستند که باعث مسموم شدن کاتالیست­های مورد استفاده در مبدل­های مربوطه می‌شوند. از این رو بنزین مصرفی خودروهای پیل سوختی ­باید دارای مشخصات ویژه­ای باشد. در مقایسه با دیگر سیستم­های پیل سوختی این گونه سیستم­ها بازده کمتری دارند و لیکن بازده کلی آن‌ها بالاتر از موتورهای احتراق داخلی بنزینی است.

خروجی پیل سوختی PEM با توجه به غلظت گاز هیدروژن ورودی به آند، متفاوت است. برای حالتی که از هیدروژن مستقیما در خودرو استفاده کنیم، گاز ورودی به آند، هیدروژن خالص خواهد بود، اما در صورت استفاده از مبدل بخار متانول، محتوای هیدروژن مخلوط ورودی به آند، حدود 75درصد حجمی و صورت استفاده از مبدل اکسایش جزیی بنزین، محتوای هیدروژن مخلوط ورودی به آند، حدود 35درصد حجمی خواهد بود. هرچه محتوای هیدروژن بیش‌تر باشد، عملکرد پیل سوختی بهتر است.

مبدل­های خودگرما

تلاش­هایی برای ترکیب نکات مثبت مبدل­های بخاری و اکسایش جزیی صورت گرفته است. در حالت ایده­آل برای شروع واکنش تبدیل دو واکنش گرمازا انجام می­گیرند تا گرمای لازم برای انجام واکنش گرماگیر را فراهم آورند، که هر کدام می­توانند در راکتورهای مجزایی با تماس گرمایی خوب صورت گیرند. روش ترکیبی فوق به تبدیل خود گرما موسوم است.

 مخازن هیدروژن پرفشار

امروزه معمولا در اکثر خودروهای پیل سوختی از مخازن فشار بالا کامپوزیتی برای ذخیره هیدروژن استفاده می­شود که علت آن ساده بودن ساختار آنها و راحتی شارژ و دشارژ این مخازن است. مخازن فشار بالا بر اساس آیین­نامه به چهار دسته تقسیم می­شوند.

باید توجه داشت که ضربه‌پذیرترین بخش مخازن فشار بالا، محل اتصال نازل­های ورودی و خروجی است. حتی­الامکان باید این نقاط را به گونه­ای قرار داد تا در هنگام تصادف احتمالی وسیله نقلیه، کم‌ترین آسیب به این نقاط وارد آید. مخازن گاز فشرده در مقایسه با مخازن بنزینی از ایمنی بالایی برخوردارند.

ذخیره­سازی هیدروژن به صورت گاز فشرده دارای خصوصیات زیر است:

·        وزن زیاد منبع

·        حجم اشغالی نسبتا زیاد

·        سادگی کنترل جریان از مخزن موتور

·        راحتی سوخت‌گیری مجدد

·        قیمت نسبتا مناسب

·        نیاز به فناوری­های جدید

·        احتیاج به عایق­کاری

 مخازن هیدروژن مایع

مطالعات نشان می­دهد که انرژی مصرفی در مایع­سازی هیدروژن می­تواند از ذخیره­سازی و توزیع ساده هیدروژن مایع، جبران شود. ساختمان مخازن هیدروژن مایع دوجداره ساخته می­شود تا از این طریق از تبخیر هیدروژن جلوگیری شده و دمای مادون سرد هیدروژن مایع حفظ شود. مخازن جدید این قابلیت را دارند که با محدود کردن انتقال حرارت، از تبخیر هیدروژن تا مقدار بسیار کمی در روز جلوگیری کنند. اگرچه مخازن مایع به لحاظ تاریخی دارای سابقه­ای طولانی هستند، اما به دلیل محدود بودن اطلاعات و تجارب، تامین کنندگان محدودی در جهان دارند.

سیستم ذخیره هیدروژن در حالت مایع مشخصات زیر را دارد:

·        هیدروژن تحویلی به موتور سرد است.

·        راندمان حجمی موتور افزایش می­یابد.

·        کاهش مقدار اکسیدهای نیتروژن خروجی از اگزوز (مهم‌ترین آلاینده تولید شده در موتورهای هیدروژن سوز)

·        امکان انژکتوری کردن سوخت وجود دارد.

·        دارای هزینه زیادی است.

·        نیاز به پمپ هیدروژن است.

·        زمان سوخت­گیری تقریبا مناسب است اما به علت فروسرد بودن هیدروژن مایع، عمل سوخت­گیری سوخت پرهزینه انجام می­شود.

·        امکان نشت هیدروژن مایع به صورت گازیشکل وجود دارد (به علت تبخیر)، پس باید در سیستم‌های استفاده کننده از آن امکان خروج این گازهای تولیدی وجود داشته باشد.

·        تماس هیدروژن مایع با جزء کربن فولاد به علت دمای بسیار پایین هیدروژن مایع، ممکن است باعث شکنندگی ساختار فولاد شود.

 نتیجه­گیری

با توجه به آلودگی روزافزون محیط زیست و محدودیت منابع سوخت­های فسیلی، به نظر می­رسد که بهترین جایگزین موتور احتراق داخلی، پیل سوختی باشد. در این مقاله پس از معرفی خودرو پیل سوختی، روش­های اصلی و صنعتی تولید و ذخیره­سازی هیدروژن و مزایا و معایب هر کدام به صورت مختصر برای استفاده در خودروی پیل سوختی، معرفی شد. مشخص شد که چالش اصلی استفاده از این خودروها با توجه به زیرساخت‌های سوخت­رسانی موجود در کشورهای مختلف، چگالی کم هیدروژن و بحث ایمنی، چگونگی ذخیره­سازی هیدروژن در خودرو است.