خودروهاى پيل سوختى در بوته آزمايش نويسنده : آرمين غفوريان
خودروى پيل سوختى در راه است، شايد خودروهاى نيمه الكتريكى و نيمه بنزينى راه را هموار سازند. فرانسيس.ر.پرلى از شركت پيل هاى سوختى UTC (كانتيكت) مى گويد: آب خالص و تميز تنها چيزى است كه از اگزوز خودروى پيل سوختى خارج مى شود، اين مطلبى است كه همواره به ما گفته اند و نويد توليد، انبار و نگهدارى هيدروژن در مقياس انبوه را به ما داده اند. هيدروژنى كه در يك واكنش شيميايي، الكتريسيته توليد مى كند؛ اما پژوهشگران پيل هاى سوختى بايد به اين پرسش پاسخ دهند كه آب توليد شده در اين فرايند مشکلى به بار مى آورد يا نه؟ پرلى مى گويد: در زمستان، آب يخ مى زند و در تابستان بخار مى شود. روشن كردن يك پيل سوختى در هواى صفر درجه مشكل اساسى است كه با وجود پيشرفت هاى فراوان در زمينه كنترل آب توليدى پيل سوختي، همچنان حل نشده باقى مانده است. اندرو بوسو، ديگر سخنران همايش از GM R&D در نيويورك به حضار اعلام كرد كه پيل هاى سوختى امروزى هنوز خيلى پرهزينه تر از اين هستند كه بتوانند در مقياس وسيع با موتورهاى احتراق داخلى رقابت كنند. او پيش بينى مى كند كه پيشرفت ها در زمينه مواد، پيچيدگى سيستم هاى پيل سوختى امروزى را كمتر خواهد كرد. او مى گويد كه رايانه به عنوان ابزارى توانمند مى تواند راهگشا باشد. مثلاً در محاسبات ديناميكى عددى و تحليل هاى اجزاى محدود، راه هاى گوناگونى براى آرايش فشرده پيل هاى سوختى و پاسخ آنها به تنش هاى صفحه اى آزمايش مى شوند. ابزار اندازه گيرى تجربى به كمك پژوهش گران مى آيند تا جريان سيال را مشاهده كنند، دما را مستقيم اندازه بگيرند و نحوه توزيع فشار را دريابند. هنوز كارهاى مهندسى زيادى باقى مانده است تا بتوان پيل سوختى را به عنوان نيروى محركه قدرتمندى در خودروها و به عنوان نيروگاه هاى كوچك در خانه ها به كار گرفت. پذيرش اين فناورى به بستر سازى و گام هاى پايه اى نياز دارد. اين راه ما را به سوى استفاده از ميان برهاى تفنى سوق خواهد داد. براى مثال، DOE آماده است تا براى آينده كيت هاى تبديل گر بنزينى كه براى استخراج هيدروژن از بنزين (براى پروتونى كه براى غشاى تبادلى به كار مى رود) بر روى موتور خودرو نصب مى شوند، تصميم بگيرد. غشاى تبادل پروتون را به اختصار PEM مى نامند. مسئله اصلى زمانى است كه براى گرم شدن تبديل گر مورد نياز است. تاخير 30 ثانيه اي، حداكثر زمانى است كه رانندگان حاضرند براى گرم شدن موتور صبر كنند. البته، پيل هاى سوختى PEM بهترين انتخاب براى صنعت اتومبيل به شمار مى روند، اما تنها نوع پيل سوختى پذيرفتنى براى خودروها نيستند. سيستم هاى اتومبيل دلفى و BMW پيل سوختى اكسيد جامدى (SOFC) را ساخته اند كه مى تواند توان الكتريكى اضافى هم براى اتومبيل توليد كند. گفتنى است كه اتومبيل هاى امروزه سه برابر بيشتر از انرژى الكتريكى كه براى فرونشاندن ماموريت آپولو بر روى ماه نياز بود، برق مصرف مى كنند. ايده اوليه اين طرح اين است كه يك SOFC با درجه حرارت بالا، وظيفه توليد الكتريسيته را بر دوش گيرد و موتور را از زير بار توليد آن رهايى بخشد. يك موتور كوچك تر با بازده بالاتر براى تامين نيروى محركه اتومبيل كافى خواهد بود. SOFC با همين گازوييل و بنزين معمولى كار خواهد كرد، زيرا تبديل گر هيدروژن به همراه خود SOFC تعبيه شده است. پيل سوختى 5 كيلوواتى سيستم تهويه مطبوع و ديگر سيستم هاى الكتريكى خودرو را حتى هنگامى كه موتور اصلى پشت چراغ قرمز ايستاده است، تغذيه مى كند، درواقع يك نوع موتور هيبريدى است. هرچند SOFC هرگز پيل سوختى انتخابى براى نيروى محركه خودروها نخواهد بود، زيرا گرم كردن آن به زمان زيادى نياز دارد. در همين حال راه حل جديدى را براى معرفى فناورى پيل سوختى به مردم بدون تحميل خطرپذيرى هاى تكنولوژيك ورود ناگهانى توليد انبوه خودروهاى پيل سوختي، ارائه مى كند. اگر موفقيت موتورهاى هيبريدى يك گام اوليه است، پس بقيه راه نيز به گونه اى پيموده خواهد شد. كرايسلر برنامه ريزى كرده است كه نخستين خودروهاى ديفرانسيل جلو را تا سال 2006 روانه بازار كند. فورد اكنون مدل هيبريدى Escape را توليد مى كند و به جمع هوندا و تويوتا در بازار خودروهاى هيبريدى الكتريكى آمريكاى شمالى پيوسته است. يك موتور 3/2 ليترى چهارسيلندرى و يك موتور كشتى 65 كيلووات به همراه هم قدرتى معادل يك موتور 69 سيلندر با 200 اسب بخار را براى مدل Escape فورد فراهم مى آورند. هزينه مسافت پيموده شده تا 75 درصد به نسبت Escape XLT كه با موتور بنزينى معمولى كار مى كند، كاهش يافته است. اين خودرو يك خروجى V 110 ولت دارد كه مى تواند يك كامپيوتر لپ تاپ را شارژ كند. فورد، Escape را يك مدل فول هيبريد مى خواند، يعنى اين كه موتور مى تواند به تنهايى با انرژى باترى هم ادامه حركت دهد، مانند اتومبيل تويوتا. خودرو هوندا فقط با كمك موتور و هنگامى كه موتور روشن است، مى تواند حركت كند. يك مداد روشن/خاموش موتور را در پشت چراغ قرمزها خاموش مى كند. موتورهاى هيبريدى هنگام ايستادن و يا حركت لاك پشتى در ترافيك ها و پشت چراغ ها اقتصادى اند. در اين شرايط، اتومبيل هاى معمولى نيز اگر راننده همت داشته باشد و موتور را در هنگام ترافيك خاموش كند، همين كار را انجام مى دهند، اما تهويه مطبوع و ضبط صوت را نمى توان پيوسته روشن نگه داشت. در واقع ماشين هاى هيبريدى بدون اين كه اين مزيت ها را از ما سلب كنند، با استفاده از سيستم هاى كنترلى پيچيده همين كار را براى ما انجام مى دهند. در هاليوود مشتريان بسيارى براى اتومبيل هاى هيبريدى وجود دارد، زيرا هزينه اضافى و پيچيدگى سيستم هاى اتومبيل چندان به چشم آنان نمى آيد. بايد ديد كه فناورى براى جذب مشترى در اين زمينه چه دشوارى هايى دارد. مهندس جيم لاكس توضيح مى دهد كه انرژى جنبشى اتومبيلى كه در بزرگراه با سرعت مى راند و 000/3 پوند وزن دارد، براى پيمودن يك چهارم مايل، حدود 500 كيلو ژول انرژى نياز دارد. بيشتر اين انرژى صرف غلبه بر نيروى مقاومت هوا مى شود. در نتيجه براى جبران اين ميزان مصرف انرژى در باتري، به سرعت عمل نياز است. اين سرعت سبب گرم شدن سريع تر باترى ها مى شود و عمر مفيد آنها را كاهش مى دهد. PZEV يا خودروهايى با خروجى گازهاى آلاينده خيلى كم، از نظر مهندسان معمولى تر كه درآمد ستارگان هاليوود را براى خريد خودرو ندارند، انتخاب بهترى به نظر مى رسند. هزينه خريد آنها اندكى بيشتر از اتومبيل هاى معمولى است، اما كاهش اساسى در گازهاى خروجى دارند كه تقريباً با خروجى انواع هيبريدى و گازسوز برابر است. فورد، كرايسلر، هوندا و بسيارى ديگراز توليدكنندگان اتومبيل PZEV را در كاليفرنيا به فروش مى رسانند؛ جايى كه مقررات حفاظت از محيط زيست بسيار سختگيرانه است. براى مثال فورد فوكوس PZEV مبدل كاتاليكى را نزديك تر به منيفلد اگزوز قرار مى دهد تا زمان گرم شدن كاتاليزور را كاهش دهد. يك سيستم مخصوص بازگردش گاز بى اثر را به درون موتور باز مى گرداند تا NOx را كاهش دهد. سوپاپ هاى پروانه اى در منيفلد مكنده آشفتگى (turbulence) هواى ورودى افزايش مى يابد و در نتيجه نسبت مخلوط شدن هوا به سوخت بهبود مى يابد. با اين كه هزينه بنزين به ازاى مسافت در اتومبيل هاى هيبريدى كمتر است، استقبال از آنها حتى با رسيدن قيمت بنزين به بيش از گالنى 2 دلار چندان چشمگير نبوده است. وزارت انرژى تخمين مى زند كه براى مثال يك هوندا سيويك هيبريدى تنها ساليانه 150 دلار صرفه جويى در مقايسه با هوندا سيويك LX معمولى براى صاحبش صرفه جويى مى كند. درنتيجه چند هزار دلار اضافى براى يك اتومبيل هيبريدى براى صاحبش چندان منفعتى دربرندارد. او با اين پول مى تواند يك آكورد PZEV بخرد. شورلت سيلورادو 2005 و GMC سرا دو وانت هيبريدى قابل قبولند. اين دو خودرو به جاى اين كه از استارتر/آلترنيتورهاى معمول در هيبريدهاى ديگراستفاده كنند، از ژنراتورهاى قوى ترى بهره مى جويند كه توان توليد 000/14 وات، توان الكتريكى و 4 خروجى برق 110 ولت 120 آمپرى را دارد. 32 ساعت هم پيوسته مى تواند كار كند، بدون اين كه موتور بنزينى اش روشن شود. يعنى مى تواند به عنوان يك نيروگاه برق اضافي، در هنگام قطع برق سراسرى بخشى از برق مورد نياز خانه را فراهم كند. از سال ها پيش توسعه دهندگان صنعت پيل سوختي، پيل هاى سوختى را به عنوان نيروگاه هاى كوچك خانگى به بازار معرفى مى كنند، اما تبديل اتومبيل هاى جانشين (به ويژه پيل سوختى ها) به يك ژنراتور ساكن براى خانه ها ايده اى است كه سازندگان اتومبيل ها را مى تواند به خود مشغول دارد. به هر حال صاحب نظران مى گويند كه پيل هاى سوختى ابتدا وارد بازار تامين انرژى خانه ها خواهند شد و به اين زودى ها گام به حيطه اتومبيل ها نخواهد گذاشت. دست كم تا پيش از سال 2010 اتومبيل هاى پيل سوختى وارد بازار نخواهند شد. با مصرف سرسام آور انرژى همچنان اخطار فرارسيدن بحران انرژى تكرار خواهد شد. براى فراگيرى انرژى هيدروژنى هنوز به پيشرفت هاى تكنولوژيك فراوانى نياز است، اما در اين هنگام از اتومبيل هاى هيبريدى مى توان مانند پلى براى گذار به اين زمان استفاده كرد؛ پلى كه با فرا رسيدن عصر هيدروژن نيز، همچنان پابرجا خواهد ماند. منبع: www.memagazine.com، نويسنده: پاول شارك
خودروى پيل سوختى در راه است، شايد خودروهاى نيمه الكتريكى و نيمه بنزينى راه را هموار سازند. فرانسيس.ر.پرلى از شركت پيل هاى سوختى UTC (كانتيكت) مى گويد: آب خالص و تميز تنها چيزى است كه از اگزوز خودروى پيل سوختى خارج مى شود، اين مطلبى است كه همواره به ما گفته اند و نويد توليد، انبار و نگهدارى هيدروژن در مقياس انبوه را به ما داده اند. هيدروژنى كه در يك واكنش شيميايي، الكتريسيته توليد مى كند؛ اما پژوهشگران پيل هاى سوختى بايد به اين پرسش پاسخ دهند كه آب توليد شده در اين فرايند مشکلى به بار مى آورد يا نه؟ پرلى مى گويد: در زمستان، آب يخ مى زند و در تابستان بخار مى شود. روشن كردن يك پيل سوختى در هواى صفر درجه مشكل اساسى است كه با وجود پيشرفت هاى فراوان در زمينه كنترل آب توليدى پيل سوختي، همچنان حل نشده باقى مانده است. اندرو بوسو، ديگر سخنران همايش از GM R&D در نيويورك به حضار اعلام كرد كه پيل هاى سوختى امروزى هنوز خيلى پرهزينه تر از اين هستند كه بتوانند در مقياس وسيع با موتورهاى احتراق داخلى رقابت كنند. او پيش بينى مى كند كه پيشرفت ها در زمينه مواد، پيچيدگى سيستم هاى پيل سوختى امروزى را كمتر خواهد كرد. او مى گويد كه رايانه به عنوان ابزارى توانمند مى تواند راهگشا باشد. مثلاً در محاسبات ديناميكى عددى و تحليل هاى اجزاى محدود، راه هاى گوناگونى براى آرايش فشرده پيل هاى سوختى و پاسخ آنها به تنش هاى صفحه اى آزمايش مى شوند. ابزار اندازه گيرى تجربى به كمك پژوهش گران مى آيند تا جريان سيال را مشاهده كنند، دما را مستقيم اندازه بگيرند و نحوه توزيع فشار را دريابند. هنوز كارهاى مهندسى زيادى باقى مانده است تا بتوان پيل سوختى را به عنوان نيروى محركه قدرتمندى در خودروها و به عنوان نيروگاه هاى كوچك در خانه ها به كار گرفت. پذيرش اين فناورى به بستر سازى و گام هاى پايه اى نياز دارد. اين راه ما را به سوى استفاده از ميان برهاى تفنى سوق خواهد داد. براى مثال، DOE آماده است تا براى آينده كيت هاى تبديل گر بنزينى كه براى استخراج هيدروژن از بنزين (براى پروتونى كه براى غشاى تبادلى به كار مى رود) بر روى موتور خودرو نصب مى شوند، تصميم بگيرد. غشاى تبادل پروتون را به اختصار PEM مى نامند. مسئله اصلى زمانى است كه براى گرم شدن تبديل گر مورد نياز است. تاخير 30 ثانيه اي، حداكثر زمانى است كه رانندگان حاضرند براى گرم شدن موتور صبر كنند. البته، پيل هاى سوختى PEM بهترين انتخاب براى صنعت اتومبيل به شمار مى روند، اما تنها نوع پيل سوختى پذيرفتنى براى خودروها نيستند. سيستم هاى اتومبيل دلفى و BMW پيل سوختى اكسيد جامدى (SOFC) را ساخته اند كه مى تواند توان الكتريكى اضافى هم براى اتومبيل توليد كند. گفتنى است كه اتومبيل هاى امروزه سه برابر بيشتر از انرژى الكتريكى كه براى فرونشاندن ماموريت آپولو بر روى ماه نياز بود، برق مصرف مى كنند. ايده اوليه اين طرح اين است كه يك SOFC با درجه حرارت بالا، وظيفه توليد الكتريسيته را بر دوش گيرد و موتور را از زير بار توليد آن رهايى بخشد. يك موتور كوچك تر با بازده بالاتر براى تامين نيروى محركه اتومبيل كافى خواهد بود. SOFC با همين گازوييل و بنزين معمولى كار خواهد كرد، زيرا تبديل گر هيدروژن به همراه خود SOFC تعبيه شده است. پيل سوختى 5 كيلوواتى سيستم تهويه مطبوع و ديگر سيستم هاى الكتريكى خودرو را حتى هنگامى كه موتور اصلى پشت چراغ قرمز ايستاده است، تغذيه مى كند، درواقع يك نوع موتور هيبريدى است. هرچند SOFC هرگز پيل سوختى انتخابى براى نيروى محركه خودروها نخواهد بود، زيرا گرم كردن آن به زمان زيادى نياز دارد. در همين حال راه حل جديدى را براى معرفى فناورى پيل سوختى به مردم بدون تحميل خطرپذيرى هاى تكنولوژيك ورود ناگهانى توليد انبوه خودروهاى پيل سوختي، ارائه مى كند. اگر موفقيت موتورهاى هيبريدى يك گام اوليه است، پس بقيه راه نيز به گونه اى پيموده خواهد شد. كرايسلر برنامه ريزى كرده است كه نخستين خودروهاى ديفرانسيل جلو را تا سال 2006 روانه بازار كند. فورد اكنون مدل هيبريدى Escape را توليد مى كند و به جمع هوندا و تويوتا در بازار خودروهاى هيبريدى الكتريكى آمريكاى شمالى پيوسته است. يك موتور 3/2 ليترى چهارسيلندرى و يك موتور كشتى 65 كيلووات به همراه هم قدرتى معادل يك موتور 69 سيلندر با 200 اسب بخار را براى مدل Escape فورد فراهم مى آورند. هزينه مسافت پيموده شده تا 75 درصد به نسبت Escape XLT كه با موتور بنزينى معمولى كار مى كند، كاهش يافته است. اين خودرو يك خروجى V 110 ولت دارد كه مى تواند يك كامپيوتر لپ تاپ را شارژ كند. فورد، Escape را يك مدل فول هيبريد مى خواند، يعنى اين كه موتور مى تواند به تنهايى با انرژى باترى هم ادامه حركت دهد، مانند اتومبيل تويوتا. خودرو هوندا فقط با كمك موتور و هنگامى كه موتور روشن است، مى تواند حركت كند. يك مداد روشن/خاموش موتور را در پشت چراغ قرمزها خاموش مى كند. موتورهاى هيبريدى هنگام ايستادن و يا حركت لاك پشتى در ترافيك ها و پشت چراغ ها اقتصادى اند. در اين شرايط، اتومبيل هاى معمولى نيز اگر راننده همت داشته باشد و موتور را در هنگام ترافيك خاموش كند، همين كار را انجام مى دهند، اما تهويه مطبوع و ضبط صوت را نمى توان پيوسته روشن نگه داشت. در واقع ماشين هاى هيبريدى بدون اين كه اين مزيت ها را از ما سلب كنند، با استفاده از سيستم هاى كنترلى پيچيده همين كار را براى ما انجام مى دهند. در هاليوود مشتريان بسيارى براى اتومبيل هاى هيبريدى وجود دارد، زيرا هزينه اضافى و پيچيدگى سيستم هاى اتومبيل چندان به چشم آنان نمى آيد. بايد ديد كه فناورى براى جذب مشترى در اين زمينه چه دشوارى هايى دارد. مهندس جيم لاكس توضيح مى دهد كه انرژى جنبشى اتومبيلى كه در بزرگراه با سرعت مى راند و 000/3 پوند وزن دارد، براى پيمودن يك چهارم مايل، حدود 500 كيلو ژول انرژى نياز دارد. بيشتر اين انرژى صرف غلبه بر نيروى مقاومت هوا مى شود. در نتيجه براى جبران اين ميزان مصرف انرژى در باتري، به سرعت عمل نياز است. اين سرعت سبب گرم شدن سريع تر باترى ها مى شود و عمر مفيد آنها را كاهش مى دهد. PZEV يا خودروهايى با خروجى گازهاى آلاينده خيلى كم، از نظر مهندسان معمولى تر كه درآمد ستارگان هاليوود را براى خريد خودرو ندارند، انتخاب بهترى به نظر مى رسند. هزينه خريد آنها اندكى بيشتر از اتومبيل هاى معمولى است، اما كاهش اساسى در گازهاى خروجى دارند كه تقريباً با خروجى انواع هيبريدى و گازسوز برابر است. فورد، كرايسلر، هوندا و بسيارى ديگراز توليدكنندگان اتومبيل PZEV را در كاليفرنيا به فروش مى رسانند؛ جايى كه مقررات حفاظت از محيط زيست بسيار سختگيرانه است. براى مثال فورد فوكوس PZEV مبدل كاتاليكى را نزديك تر به منيفلد اگزوز قرار مى دهد تا زمان گرم شدن كاتاليزور را كاهش دهد. يك سيستم مخصوص بازگردش گاز بى اثر را به درون موتور باز مى گرداند تا NOx را كاهش دهد. سوپاپ هاى پروانه اى در منيفلد مكنده آشفتگى (turbulence) هواى ورودى افزايش مى يابد و در نتيجه نسبت مخلوط شدن هوا به سوخت بهبود مى يابد. با اين كه هزينه بنزين به ازاى مسافت در اتومبيل هاى هيبريدى كمتر است، استقبال از آنها حتى با رسيدن قيمت بنزين به بيش از گالنى 2 دلار چندان چشمگير نبوده است. وزارت انرژى تخمين مى زند كه براى مثال يك هوندا سيويك هيبريدى تنها ساليانه 150 دلار صرفه جويى در مقايسه با هوندا سيويك LX معمولى براى صاحبش صرفه جويى مى كند. درنتيجه چند هزار دلار اضافى براى يك اتومبيل هيبريدى براى صاحبش چندان منفعتى دربرندارد. او با اين پول مى تواند يك آكورد PZEV بخرد. شورلت سيلورادو 2005 و GMC سرا دو وانت هيبريدى قابل قبولند. اين دو خودرو به جاى اين كه از استارتر/آلترنيتورهاى معمول در هيبريدهاى ديگراستفاده كنند، از ژنراتورهاى قوى ترى بهره مى جويند كه توان توليد 000/14 وات، توان الكتريكى و 4 خروجى برق 110 ولت 120 آمپرى را دارد. 32 ساعت هم پيوسته مى تواند كار كند، بدون اين كه موتور بنزينى اش روشن شود. يعنى مى تواند به عنوان يك نيروگاه برق اضافي، در هنگام قطع برق سراسرى بخشى از برق مورد نياز خانه را فراهم كند. از سال ها پيش توسعه دهندگان صنعت پيل سوختي، پيل هاى سوختى را به عنوان نيروگاه هاى كوچك خانگى به بازار معرفى مى كنند، اما تبديل اتومبيل هاى جانشين (به ويژه پيل سوختى ها) به يك ژنراتور ساكن براى خانه ها ايده اى است كه سازندگان اتومبيل ها را مى تواند به خود مشغول دارد. به هر حال صاحب نظران مى گويند كه پيل هاى سوختى ابتدا وارد بازار تامين انرژى خانه ها خواهند شد و به اين زودى ها گام به حيطه اتومبيل ها نخواهد گذاشت. دست كم تا پيش از سال 2010 اتومبيل هاى پيل سوختى وارد بازار نخواهند شد. با مصرف سرسام آور انرژى همچنان اخطار فرارسيدن بحران انرژى تكرار خواهد شد. براى فراگيرى انرژى هيدروژنى هنوز به پيشرفت هاى تكنولوژيك فراوانى نياز است، اما در اين هنگام از اتومبيل هاى هيبريدى مى توان مانند پلى براى گذار به اين زمان استفاده كرد؛ پلى كه با فرا رسيدن عصر هيدروژن نيز، همچنان پابرجا خواهد ماند. منبع: www.memagazine.com، نويسنده: پاول شارك
