آشنایی با عملکرد پیل سوختی

نویسنده admin 1396/11/23 0 نظر مطالب,
آشنایی با عملکرد پیل سوختی

 

آشنایی با عملکرد پیل سوختی

 

در ادامه مقالات آموزشی مهندسی مکانیک گرایش سیالات در این مقاله آموزشی به آشنایی با عملکرد پیل سوختی می پردازیم که امیدواریم برای شما مفید واقع شود.

عملکرد اصلی پیل سوختی هیدروژنی بسیار ساده است اولین نمونه­ های پیل سوختی توسط آفای ویلیام رابرت گروو ابداع گردید و در سال 1839 نمایش داده شد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است وی آزمایشی را ترتیب داد که آب الکترولیز شده و با عبور جریان الکتریکی به عناصر به عناصر سازنده آن یعنی هیدروژن و اکیسژن تجزیه می­شود. در تصویر سمت راست، منبع تغذیه با یک آمپرسنج عوض می­شود و عبور جریان الکتریکی را نشان می­دهد. الکترولیز معکوس شده و اکسیژن و هیدروژن مجدد ترکیب می­گردد و جریان الکتریکی به وجود می­آید.

 

 

 

 

آزمایش گروو نمایشی از عملکرد اصلی پیل سوختی را نشان می­دهد. اما جریان اولیه در آزمایش بسیار کوچک است. دلایل اصلی کوچک بودن جریان عبارت است از:

  1. سطح تماس کوچک بین گاز، الکترود و الکترولیت
  2. فاصله زیاد بین الکترودها که باعث می­شود الکترولیت در مقابل عبور جریان مقاومت کند.

برای غلبه بر این مشکل الکترودها معمولاً به صورت تخت و الکترولیت ­ها تا حد امکان نازک ساخته می­شوند. ساختار الکترودها به صورت متخلخل است به طوری که الکترولیت از یک طرف و گاز از طرف دیگر بتواند در آن نفوذ کند. این امر باعث می­شود سطح تماس بین الکترود و الکترولیت و گاز تا حد زیادی افزایش یابد. برای دانستن اینکه واکنش بین اکسیژن و هیدروژن چگونه باعث تولید انرژی الکتریکی می­گردد و الکترون­ها از کجا می­آیند، باید واکنش­های مجزایی را که در هر الکترود رخ می­دهد را مورد بررسی قرار دهیم. این جزئیات مهم برای انواع مختلف پیل سوختی فرق می­کند. در پیل سوختی آزمایش گروو که از نوع الکترود اسیدی  می­باشد، این واکنش­ها به قرار زیر است.

در سمت آند پیل سوختی با الکترولیت اسیدی، گاز هیدروژه یونیزه می­شود و الکترون و یون هیدروژن مثبت (پروتون) آزاد می­شود.

 

 

این واکنش انرژی آزاد می­کند. در سمت کاتد اکسیژن با الکترون هایی که از الکترود می­آیند، با یون هیدروژن مثبت که از الکترولیت می­آید واکنش داده و آب را تشکیل می­دهد.

 

 

برای اینکه واکنش­ها انجام بگیرد الکترون­های ایجاد شده در سمت آند باید از یک مدار خارجی عبور کرده و به کاتد برسند. همچنین یون­های هیدروژن باید از داخل الکترولیت عبور کنند تا مدار تکمیل شود. یک سیال اسیدی دارای یون­های هیدروژن می­باشد و از آن به عنوان الکترولیت می­توان استفاده کرد. همچنین پلیمرهای مشخصی ساخته شده­اند که حاوی یون­های هیدروژن هستند که به این گونه از الکترودها غشاهای تبادل‌کننده پروتون می­گویند. دلیل این نامگذاری یون­های هیدروژن می­باشد که در واقع پروتون هستند. لازم به ذکر است که الکترولیت­ها فقط باید به یون­های هیدروژن اجازه عبور دهند و مانع عبور الکترون شوند. در غیر این­صورت الکترون­ها به جای عبور از مدار خارجی از الکترولیت عبور کرده و عملاٌ از واکنش انجام شده هیچ استفاده­ای نخواهیم برد.

در پیل‌های سوختی با الکترولیت قلیایی واکنش کلی مانند قبل است اما واکنش‌هایی که در هر الکترود انجام می‌شود متفاوت است. در یک محلول قلیایی یون‌های هیدروکسیل وجود دارند و قابلیت این را دارند که در محلول حرکت کنند. در سمت آند، واکنش زیر که به همراه هیدروژن انجام می‌شود، الکترون و انرژی آزاد می‌کند و تولید آب می‌نماید.

 

 

در سمت کاتد، اکسیژن با الکترون‌های آمده از سمت آند و آب موجود در الکترولیت واکنش داده و تولید OH می‌کند.

برای این که واکنش‌های بالا به طور پیوسته انجام شوند، یون‌های OH  باید از داخل الکترولیت عبور کنند و الکترون‌ها نیز در مدار خارجی از سمت آند به کاتد جریان یابند. در اینجا نیز مانند پیل سوختی با الکترولیت اسیدی به دو مول هیدروژن به ازای یک مول اکسیژن نیاز است. به این نکته نیز باید توجه داشت که با وجود مصرف آب در کاتد، به میزان دو برابر در سمت آند، آب تولید خواهد شد. در نتیجه در میزان آب تغییری به وجود نخواهد آمد.

 

برای شبیه سازی پیل سوختی از نرم افزارهای مانند Fortran, Matlab و Fluent استفاده می شود که نرم افزارهای نام برده شده از نرم افزار های بسیار پرکاربرد در مقطع کارشناسی ارشد می باشند که بسیاری از دانشجویان با استفاده از نرم افزار های گفته شده به ارایه مقالات علمی و پژوهشی و پایان نامه های کارشناسی ارشد می پردازند.

 

برای مطالعه مقالات آموزشی بیشتر در رشته مهندسی مکانیک می توانید با کلیک بر روی هنوان های زیر به مقاله مربوطه هدایت شوید :

 

آشنایی با زبان ++C

معرفی نرم افزار Visual Studio

آشنایی با نرم افزار ESS

راهنمای نصب نرم افزار Bitzer

 

 

 

افزودن نظر