آزمایشگاه آزاد؛ بدون نیاز به ورود
سلول سوختی چطور برق می‌سازه؟
وقتی بار بیشتری از سلول بخوایم، ولتاژ چه تغییری می‌کنه؟ اول بار رو تغییر بده؛ بعد اثر جریان هیدروژن رو جدا بررسی کن.
آزمایش رو شروع کنجریان هیدروژن بر حسب مول بر ثانیه و بار بر حسب آمپره. نرخ تولید آب تا سه رقم اعشار گرد می‌شه؛ مقدار مثبت کوچک ممکنه صفر نمایش داده بشه.
آزمایشگاه در حال آماده شدنه…
حالا خودت امتحان کن
هر بار فقط یک چیز رو تغییر بده تا اثرش رو ببینی. قبل از اجرا، نتیجه رو حدس بزن.
بار برق و افت ولتاژ
جریان هیدروژن رو روی ۳٫۱ مول بر ثانیه نگه دار. بار رو اول روی صفر و بعد روی ۱۰۰ آمپر بذار و هر دو خروجی رو بخون.
حدست چیه؟ وقتی بار به ۱۰۰ آمپر می‌رسه، ولتاژ مدل بالا می‌ره یا پایین می‌آد؟
توضیح نتیجه رو ببین
در صفر آمپر، ولتاژِ گرد‌شده ۱٫۲ ولت و نرخ آب ۰ مول بر ثانیه دیده می‌شه. در ۱۰۰ آمپر، ولتاژ به ۰٫۲ ولت می‌رسه و نرخِ نمایش‌داده‌شده ۰٫۰۰۱ مول بر ثانیه است. این افت از مقاومت ثابت ۰٫۰۱ اهمیِ همین مدل می‌آد؛ سلول واقعی فقط با یک مقاومت توصیف نمی‌شه.
جریان هیدروژن در فرمول نرنست
بار رو روی ۱۰۰ آمپر ثابت نگه دار. جریان هیدروژن رو از ۰٫۱ به ۹٫۶ مول بر ثانیه ببر و ولتاژ و نرخ آب رو مقایسه کن.
حدست چیه؟ در این شبیه‌ساز، تغییر جریان هیدروژن روی هر دو خروجی اثر یکسانی می‌ذاره؟
توضیح نتیجه رو ببین
ولتاژ مدل از ۰٫۱۷ به ۰٫۲۲ ولت می‌رسه، اما نرخ آب در هر دو حالت ۰٫۰۰۱ مول بر ثانیه نمایش داده می‌شه. این فرمول جریان گاز رو برای محاسبهٔ فشار نسبی هیدروژن به کار می‌بره؛ در بازهٔ کنترل، مقدار هیدروژن برای جریان بار محدودکننده نیست. این رفتار، فرض همین مدل ساده است.
وقتی نرخ کوچک گرد می‌شه
جریان هیدروژن رو روی ۹٫۶ مول بر ثانیه ثابت کن. بار رو از ۵ به ۱۰۰ آمپر تغییر بده و نرخ آب رو دقیق بخون.
حدست چیه؟ آیا عدد صفر روی صفحه حتماً یعنی هیچ آبی در محاسبه تولید نشده؟
توضیح نتیجه رو ببین
در ۵ آمپر، محاسبه نرخ مثبتی نزدیک ۰٫۰۰۰۰۲۶ مول بر ثانیه می‌ده، ولی نمایشگر با سه رقم اعشار اون رو صفر نشون می‌ده. در ۱۰۰ آمپر، مقدار نزدیک ۰٫۰۰۰۵۱۸ به ۰٫۰۰۱ گرد می‌شه. پس صفرِ ردیف اول، صفرِ دقیقِ محاسبه نیست.
پشت این حرکت چه خبره؟
هیدروژن و اکسیژن واکنش می‌دن
2*H2+O2=2*H2O
در سلول سوختی هیدروژنی، هیدروژن در آند الکترون آزاد می‌کنه. الکترون‌ها از مدار بیرونی جریان می‌سازن و در کاتد با اکسیژن و پروتون‌ها به آب می‌رسن. واکنش خالص آب می‌سازه و سلول هم برق و گرما بیرون می‌ده؛ این مدل مسیر ساخت خود هیدروژن رو بررسی نمی‌کنه.
فشار گازها روی ولتاژ باز اثر می‌ذاره
E = 1.23+(R*T/(2*F))*ln(P_H2*sqrt(P_O2)); P_H2 = H/10; P_O2 = 0.21
فرمول نرنست، پتانسیل واکنش رو با فشار نسبی گازها تغییر می‌ده. در فرمول، H نرخ مولی هیدروژنه، R ثابت گازها و F ثابت فاراده است. این ویجت دما رو روی ۲۹۸ کلوین و فشار اکسیژن رو روی ۰٫۲۱ ثابت می‌ذاره؛ جریان هیدروژن رو هم برای ساخت فشار نسبی به عددی بین صفر و یک تبدیل می‌کنه. این نگاشت ساده، اندازه‌گیری فشار یک سلول واقعی نیست.
بار جریان ولتاژ رو پایین می‌آره
V = max(E-I*0.01,0)
در رابطهٔ این ویجت، جریان بار در مقاومت داخلی ثابت ضرب می‌شه و از ولتاژ نرنست کم می‌شه. برای همین با بالا رفتن آمپر، ولتاژِ مدل پایین می‌آد. ولتاژ سلول‌های واقعی به چند فرایند و شرایط کار وابسته است و معمولاً با یک مقاومت ثابت توضیح داده نمی‌شه.
جریان به نرخ تولید آب وصل می‌شه
n_H2O = min(I/(2*F),0.95*H)
در واکنش خالص، به ازای هر مول هیدروژنِ مصرف‌شده یک مول آب ساخته می‌شه. قانون فاراده جریان رو به مقدار الکترون‌های جابه‌جا‌شده وصل می‌کنه؛ کد هم نرخ آب رو از جریان و گازِ در دسترس حساب می‌کنه. در کل بازهٔ کنترل، جریانِ انتخابی از سقف نظری مصرف هیدروژن خیلی کمتره، پس مقدار جریان گاز نرخ آب رو محدود نمی‌کنه.
سؤالت رو بپرس، جوابش رو هم ببین
وقتی توی چت دربارهٔ یک مفهوم درس می‌خونی، دستیار هوش مصنوعی می‌تونه شبیه‌سازی مرتبط رو کنار توضیحش نشون بده. پارامترها رو تغییر می‌دی و با کمک توضیح بعدی، نتیجه رو بهتر می‌فهمی.
شروع یادگیری با چتبرای ادامه در چت، وارد مسیر شروع و ورود می‌شی. نتیجهٔ این آزمایش به چت منتقل نمی‌شه.
نمونهٔ نمایشی از آموزش در چت
چرا در ۳۰ آمپر، نرخ آب صفر نشون داده می‌شه؟
چون خروجی تا سه رقم اعشار گرد می‌شه. در این مدل، ۳۰ آمپر با رابطهٔ جریان و بار، نرخ مثبت حدود ۰٫۰۰۰۱۵۵ مول بر ثانیه می‌سازه، ولی این مقدار به صفر گرد می‌شه. پس صفرِ نمایشی یعنی عدد از دقت نمایشگر کوچک‌تره، نه اینکه فرمول حتماً صفر حساب کرده باشه.
سؤال‌های رایج
سلول سوختی هیدروژنی چی تولید می‌کنه؟
واکنش هیدروژن و اکسیژن در سلول آب می‌سازه و سلول برق و گرما هم بیرون می‌ده. این ویجت خود واکنش رو ساده می‌کنه؛ روش تولید هیدروژن و اثر محیطی کل چرخه رو حساب نمی‌کنه.
آیا جریان هیدروژن در این مدل نرخ آب رو عوض می‌کنه؟
در بازهٔ فعلی نه؛ حتی کمترین ورودی هیدروژن برای جریان بارِ حداکثر کافی می‌مونه. مقدار گاز در فرمول فشار نسبی رو تغییر می‌ده، اما نرخ آب از جریان بار به دست می‌آد.
چرا ولتاژ با بالا رفتن بار کم می‌شه؟
این مدل از ولتاژ نرنست، حاصل‌ضرب جریان در مقاومت ثابت ۰٫۰۱ اهم رو کم می‌کنه. سلول‌های واقعی افت‌های پیچیده‌تری هم دارن، پس این عدد منحنی عملکرد واقعی یک سلول نیست.
آیا نرخ صفر یعنی تولید آب دقیقاً صفره؟
نه همیشه. مقدارهای مثبت کوچیک‌تر از دقت سه‌رقمی نمایشگر به صفر گرد می‌شن. برای نمونه، در ۳۰ آمپر خود فرمول مقداری مثبت می‌ده که متن خروجی نمی‌تونه نشونش بده.
پس سلول سوختی هیچ آلایندگی‌ای نداره؟
از واکنش مستقیم هیدروژن خالص در محل کار، آب و گرما بیرون می‌آد؛ اما این شبیه‌ساز راه تولید، فشرده‌سازی یا جابه‌جایی هیدروژن رو حساب نمی‌کنه. برای نتیجه‌گیری دربارهٔ اثر کل چرخه، این صفحه کافی نیست.