خودروی سلول سوختی هیدروژنی چیست و چگونه کار می‌کند؟

به گزارش کارنا، در سال‌های اخیر، بحث جایگزینی سوخت‌های فسیلی با انرژی‌های پاک بیش از هر زمان دیگری جدی شده است و یکی از گزینه‌های مهم پیش رو، خودرو‌های هیدروژنی هستند. این خودرو‌ها برخلاف تصور عمومی تنها یک ایده‌ی آینده‌نگرانه نیستند، بلکه محصول فناوری پیچیده‌ای هستند که توانسته‌اند نگاه بسیاری از خودروسازان بزرگ جهان را به خود جلب کنند. بررسی شیمی نهفته در خودرو‌های برقی مبتنی بر سلول سوختی (FCEV) و اینکه این فناوری چگونه می‌تواند آینده صنعت خودرو را دگرگون سازد، موضوعی است که نه تنها برای کارشناسان حوزه خودرو، بلکه برای علاقه‌مندان به محیط‌زیست و نوآوری‌های علمی نیز اهمیت ویژه‌ای دارد.

خودروی هیدروژنی چیست؟

به‌طور ساده، یک خودروی هیدروژنی خودرویی است که نیروی محرکه‌اش از هیدروژن تامین می‌شود. همین توضیح کوتاه شاید ساده به‌نظر برسد، اما در پس آن دنیایی از فناوری و پیچیدگی علمی نهفته است. هیدروژن سال‌هاست که به‌عنوان «انرژی بزرگ آینده» مطرح می‌شود؛ دهه‌هاست کارشناسان از آن به‌عنوان جایگزین بالقوه سوخت‌های فسیلی یاد می‌کنند، اما هنوز نتوانسته آن‌طور که انتظار می‌رفت به جریان اصلی صنعت خودرو راه یابد. شاید دلیل اصلی این موضوع این باشد که هیدروژن سبک‌ترین و در عین حال یکی از انفجاری‌ترین گاز‌های شناخته شده در جهان است؛ ترکیبی که همزمان جذاب و خطرناک به‌نظر می‌رسد.

مزایای استفاده از هیدروژن

برای شروع باید به مزایای این عنصر بپردازیم. برخلاف تصور عمومی، هیدروژن عنصری کمیاب نیست، بلکه در اطراف ما به‌وفور یافت می‌شود. کافی است به آب نگاه کنیم؛ هر مولکول آب (H۲O) از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است؛ بنابراین دستیابی به هیدروژن از نظر تئوری بسیار ساده‌تر از حفاری‌های پرهزینه برای استخراج نفت خام است.

نکته مهم‌تر این است که هنگام استفاده از هیدروژن به‌عنوان سوخت، تنها محصول خروجی «آب» خواهد بود. این ویژگی باعث می‌شود خودرو‌های هیدروژنی گزینه‌ای قطعی برای حمل‌ونقل کربن‌خنثی به حساب آیند. از سوی دیگر، فرایند سوخت‌گیری آنها مشابه خودرو‌های بنزینی است؛ یعنی کافی است به یک ایستگاه سوخت‌گیری مراجعه کنید و ظرف چند دقیقه مخزن هیدروژن را پر کنید. این موضوع برتری بزرگی نسبت به خودرو‌های تمام‌برقی دارد که گاه ساعت‌ها زمان برای شارژ نیاز دارند.

چالش‌ها و معایب هیدروژن.

اما داستان همیشه روی خوش ندارد. هیدروژن از اوایل قرن بیستم به‌کار گرفته شد. در دهه ۱۹۲۰ میلادی (برابر با دهه ۱۳۰۰ خورشیدی)، کشتی‌های هوایی (زیپلین‌ها) از هیدروژن استفاده می‌کردند. متاسفانه چندین حادثه آتش‌سوزی منجر به مرگ ده‌ها نفر شد. نقطه عطف این تاریخچه تلخ، فاجعه هوایی «هینْدِنْبورگ» در اواخر دهه ۱۹۳۰ بود؛ سانحه‌ای که هنوز هم پس از گذشت نزدیک به یک قرن، به‌عنوان مثالی از خطرات هیدروژن یاد می‌شود. این رویداد موجب شد استفاده از هیدروژن در حمل‌ونقل هوایی برای همیشه کنار گذاشته شود.

اما آیا این بدان معناست که استفاده از هیدروژن در خودرو‌های زمینی نیز ناایمن است؟ نه دقیقا. در خودرو‌های مدرن، هیدروژن در مخازن پرفشار بسیار مقاوم ذخیره می‌شود. برای درک این موضوع بد نیست بدانید که هیدروژن فشرده شده در این مخازن تحت فشاری در حدود ۷۰۰ بار نگهداری می‌شود؛ معادل بیش از ۱۰ هزار PSI. برای مقایسه، فشار باد تایر‌های خودرو تنها حدود ۳۳ PSI است! طبیعی است که اگر درز یا نشتی ایجاد شود، خطر آتش‌سوزی وجود دارد، اما طراحی و فناوری ایمنی امروزی این احتمال را به حداقل می‌رساند.

مکانیسم عملکرد هیدروژن در خودرو

نکته جالب اینجاست که برخلاف تصور اولیه، هیدروژن در خودرو‌های سلول سوختی برای «احتراق» استفاده نمی‌شود. بلکه فرایند کاملا متفاوتی در جریان است.

ابتدا هیدروژن از مخزن وارد بخش «آند» در سلول سوختی می‌شود. در این بخش کاتالیزوری معمولا پلاتین وجود دارد که باعث می‌شود مولکول‌های هیدروژن به پروتون و الکترون تجزیه شوند. پروتون‌ها از غشای تبادل پروتون (PEM) عبور می‌کنند، در حالی که الکترون‌ها نمی‌توانند از این غشا عبور کنند و مجبور می‌شوند از یک مدار خارجی بگذرند. همین حرکت الکترون‌ها جریان الکتریکی ایجاد می‌کند که موتور الکتریکی خودرو را به حرکت درمی‌آورد. در نهایت، الکترون‌ها و پروتون‌ها دوباره با اکسیژن هوای ورودی در بخش «کاتد» ترکیب می‌شوند و خروجی نهایی چیزی جز بخار آب نیست؛ آلودگی صفر و صرفا انتشار بخاری که هیچ خطری برای محیط‌زیست ندارد.

شباهت‌ها با باتری و چالش هزینه‌ها

این سازوکار تا حد زیادی شبیه عملکرد باتری‌هاست. همانند باتری‌های لیتیوم-یون، در سلول سوختی نیز از فلزات گران‌بهایی مانند پلاتین استفاده می‌شود که تامین آنها پرهزینه است. در واقع همین هزینه بالا، یکی از دلایل اصلی عقب‌ماندن فناوری هیدروژن طی چندین دهه اخیر بوده است.

به‌عنوان نمونه، ساخت یک ایستگاه سوخت‌گیری هیدروژنی حدود یک میلیون پوند هزینه دارد. این ایستگاه‌ها معمولا آب را در محل به هیدروژن تجزیه می‌کنند؛ فرایندی که خود نیازمند انرژی است. پرسش اساسی اینجاست: آیا این انرژی از منابع تجدیدپذیر تامین می‌شود؟ پاسخ در بسیاری موارد منفی است. اگر هم به‌جای تولید در محل، هیدروژن توسط کامیون‌های مخصوص به ایستگاه‌ها منتقل شود، نوعی تناقض شکل می‌گیرد: حمل سوخت «پاک» با کامیون‌های دیزلی!

ایمنی و کاربرد‌های امروزی

با این وجود، استفاده از هیدروژن در حمل و نقل زمینی هم اکنون آغاز شده است. اتوبوس‌های شهری مجهز به سلول سوختی در برخی کشور‌ها تردد می‌کنند و کامیون‌های سنگین نیز گزینه‌ای ایده‌آل برای این فناوری محسوب می‌شوند. دلیلش این است که هیدروژن برخلاف باتری‌ها، تراکم انرژی بسیار بالاتری دارد و در عین حال سبک‌تر است. همین موضوع آن را برای ناوگان‌های حمل و نقل سنگین جذاب‌تر می‌سازد.

مقایسه با خودرو‌های باتری‌محور

سرمایه‌گذاران بسیاری همچنان باتری‌های الکتریکی را به‌عنوان آینده قطعی خودرو‌ها معرفی می‌کنند. اما این فناوری نیز محدودیت‌های جدی دارد. زیرساخت شارژ خانگی هنوز در بسیاری کشور‌ها به‌طور کامل فراهم نشده و در مناطق روستایی یا دورافتاده حتی دسترسی به شارژر‌های عمومی هم دشوار است. علاوه بر این، باتری‌ها حجم و وزن بالایی دارند و تراکم انرژی آنها نسبت به هیدروژن پایین‌تر است. به همین دلیل بسیاری از متخصصان معتقدند که تنوع فناوری‌ها برای گذار به حمل و نقل پایدار اجتناب‌ناپذیر است.

آینده خودرو‌های هیدروژنی

با وجود همه این چالش‌ها، خودروسازانی همچون ب‌ام‌و و تویوتا همچنان به توسعه خودرو‌های هیدروژنی امیدوارند. ب‌ام‌و اخیرا اعلام کرده قصد دارد از سال ۲۰۲۸ (۱۴۰۷ خورشیدی) نخستین مدل هیدروژنی خود را روانه بازار کند؛ مدلی که بر پایه همکاری مشترک با تویوتا طراحی خواهد شد.

در عین حال، برخی شرکت‌ها روی «سوخت‌های سنتتیک» تمرکز کرده‌اند. «الیور زیپسه» رئیس هیئت مدیره ب‌ام‌و نیز اذعان کرده که احتمالا هیدروژن دست‌کم در کوتاه‌مدت به جریان اصلی خودرو‌های سواری تبدیل نخواهد شد؛ بنابراین آینده نزدیک صنعت خودرو احتمالا ترکیبی از فناوری‌های مختلف خواهد بود: خودرو‌های برقی باتری‌محور، مدل‌های هیدروژنی، سوخت‌های مصنوعی و شاید نوآوری‌هایی که هنوز به مرحله اجرا نرسیده‌اند.

جمع‌بندی

فناوری هیدروژن شاید هنوز به رؤیای فراگیر تبدیل نشده باشد، اما پتانسیل بالای آن در کاهش آلایندگی و جایگزینی سوخت‌های فسیلی غیرقابل انکار است. همان‌طور که تاریخ نشان داده، مسیر توسعه انرژی‌های نو همیشه با چالش همراه است، اما هر گامی که در این راه برداشته شود می‌تواند آینده‌ای پاک‌تر برای حمل‌ونقل رقم بزند. شاید پاسخ نهایی در تلفیق چند فناوری مختلف باشد؛ یا شاید در آینده‌ای نه‌چندان دور انسان‌ها به جای خودرو‌های سوختی، راهی برای پرواز یا حتی «تله‌پورت» پیدا کنند.

در نهایت، روشن است که فناوری سلول سوختی هیدروژنی هنوز در آغاز راه خود قرار دارد و مسیر پیش‌رو با چالش‌ها و فرصت‌های گوناگونی همراه خواهد بود. از یک سو، این فناوری می‌تواند به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و کاهش آلایندگی‌های زیست‌محیطی کمک کند، و از سوی دیگر، هزینه‌ها و محدودیت‌های زیرساختی همچنان مانع گسترش سریع آن هستند. حال پرسش اساسی این است که شما چه فکر می‌کنید؟ آیا خودرو‌های هیدروژنی می‌توانند جایگاهی پررنگ در آینده حمل و نقل داشته باشند یا همچنان خودرو‌های باتری‌محور مسیر اصلی را خواهند پیمود؟ دیدگاه‌ها و تحلیل‌های شما می‌تواند به عمیق‌تر شدن محتوای این بحث کمک کند.

منبع:چرخان