-
سبد خرید شما خالی است!
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:
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 :