طراحی و محاسبات کلی پیل سوختی

طراحی و محاسبات کلی پیل سوختی:
به طور خلاصه، در طراحی پیل سوختی با استفاده از اصول ترمودینامیکی، قوانین نرست، گیبس و… چگالی جریان و تعداد الکترون های لازم محاسبه شده و سپس با در نظر گرفتن قیود از پیش تعیین شده، به طور مثال در انتخاب نوع الکترولیت، محاسبات مربوط به اندازه، دما و… قابل انجام است.

در اینجا به طور خلاصه به برخی روابط کلی مربوط به محاسبات طراحی پیل سوختی اشاره می کنیم.

ولتاژ:
معادله نرنست (Nernst equation) که نقش مهمی در محاسبات مربوط به پیل سوختی ایفا می کند، در حالت کلی به شکل زیر است:

که در آن، Eولتاژ بازگشت پذیر، Fثابت فارادی، Tدما، Rثابت گازها، nتعداد الکترون ها وaضریب فعالیت اجزاست.

بازده پیل سوختی:
بازده واقعی پیل سوختی همواره باید کمتر از بازده ترمودینامیکی آن باشد. دو دلیل اصلی برای این مسئله، افت ولتاژ و اتلاف مربوط به سوخت است. بازده واقعی پیل به صورت زیر محاسبه می شود:

بازده ترمودینامیکی پیل، یعنیεthermo در واقع نشان می دهد که حتی در شرایط ایده آل چه میزان از آنتالپی موجود در سوخت می تواند به کار تبدیل شود.

بازده ولتاژεvoltage اتلاف مربوط به اثرات بازگشت ناپذیری انرژی جنبشی را نشان می دهد. این اتلاف ها در نمودار جریان-ولتاژ پیل قابل مشاهده و از طریق رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در آن، V ولتاژ کاری پیل وE ولتاژ بازگشت پذیر ترمودینامیکی آن است.

همچنین بازده سوخت بیان می کند که همه سوخت وارد شده به پیل در واکنش الکتروشیمیایی شرکت نمی کند و مقداری از آن ممکن است در واکنش های حاشیه ای وارد شود. این بازده از طریق رابطه زیر قابل محاسبه است:

جریان:
باید توجه داشت که در محاسبات پیل سوختی، چگالی جریان اهمیت بیشتری نسبت به خود جریان دارد. اغلب نمودارهای مربوط به عملکرد پیل نیز بر مبنای چگالی جریان رسم می شوند. چگالی جریان را غالباً با j
نشان داده و از رابطه زیر محاسبه می کنند:

که در آن، i نشان دهنده جریان وA سطح مقطع است. واحد چگالی جریان آمپر بر سانتی متر مربع (A/cm2) است، اما می توان برحسب مول بر سانتی متر مربع (mol/cm2) نیز آن نشان داد. نمونه ای از نمودار ولتاژ سلول برحسب چگالی جریان در زیر آورده شده است.