Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Крім електролізера PEM, є ще й різні інші види електролізу. Для розділення води звичними є також лужний електроліз і високотемпературний електроліз. Саме з останнім можна досягти навіть помітно кращого ККД, ніж з електролізером PEM. Проте для цього потрібні температури понад 800°C. Лужний електроліз дає подібні значення ККД, однак для нього потрібен розчин гідроксиду калію. Попри витрати чи умови, потрібні для електролізу, застосовують передусім три названі варіанти, бо, наприклад, хімічне чи біологічне добування водню помітно складніше й дорожче і здебільшого не дає водню такої чистоти, як електроліз.
Інша інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні мають бути обізнані з принципом електролізу.
Принцип
Коефіцієнти корисної дії описують ефективність процесу за певними ознаками. Для цього в першій частині досліду визначають енергетичний ККД. Це відношення корисної енергії до витраченої на неї енергії. Далі досліджують фарадеївський ККД, який є відношенням реально утвореної кількості газу до теоретично обчисленого значення.
Інша інформація для вчителів (2/2)
Навчальна мета
Учні знайомляться з принципом фарадеївської та енергетичної ефективності.
Завдання
Скористайся електролізером, щоб визначити фарадеївську та енергетичну ефективність.
Правила безпеки
- Працювати в захисних окулярах.
- Щодо H- і P-фраз звертайтеся, будь ласка, до відповідних паспортів безпеки.
- Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих
Інформація для учнів
Мотивація
Крім електролізера PEM, є ще й різні інші види електролізу. Для розділення води звичними є також лужний електроліз і високотемпературний електроліз. Саме з останнім можна досягти навіть помітно кращого ККД, ніж з електролізером PEM. Проте для цього потрібні температури понад 800°C. Лужний електроліз дає подібні значення ККД, однак для нього потрібен розчин гідроксиду калію. Попри витрати чи умови, потрібні для електролізу, застосовують передусім три названі варіанти, бо, наприклад, хімічне чи біологічне добування водню помітно складніше й дорожче і здебільшого не дає водню такої чистоти, як електроліз.
Електромобіль на зарядній станції
Обладнання
Складання (1/3)
- Скласти електричне коло для електролізера за рис. 1.
- Блок живлення вимкнено.
- Звернути увагу на полярність електролізера PEM.
- Обидва резервуари для зберігання газу поставити праворуч і ліворуч від електричного кола та з'єднати з електролізером PEM силіконовими шлангами (рис. 2).
Рис. 1: схема досліду
Складання (2/3)
- До вільного кінця кожного з двох резервуарів для зберігання газу приєднати ще один силіконовий шланг і закрити його затискачем для шланга.
- Резервуари для зберігання газу наповнити дистильованою водою трохи нижче за верхню позначку (рис. 3).
- Тримати шланги вгору й відкрити затискачі для шлангів, щоб вода перетекла в нижню частину резервуарів для газу.
- Закрити затискачі для шлангів.
Рис. 2: з'єднання резервуарів для зберігання газу
Складання (3/3)
- Між блоком живлення й електролізером увімкнути послідовно один ADM3.
- Другий ADM3 увімкнути паралельно до електролізера, щоб виміряти спад напруги.
Рис. 3: наповнення резервуарів для зберігання газу
Виконання (1/2)
Визначення енергетичного та фарадеївського ККД
- Зчитати й записати кількості газу в обох резервуарах для зберігання газу на початку досліду.
- На блоці живлення встановити напругу 0 В і обмеження струму 2 А.
- Увімкнути блок живлення.
- Запустити вимірювання часу і швидко встановити напругу 4 В.
- Зачекати близько 10 секунд і записати усталені значення сили струму й напруги.
- Коли резервуар для водню з негативного боку електролізера досягне позначки 30 , знову встановити напругу 0 В і завершити вимірювання часу.
Виконання (2/2)
- Щоб визначити утворену кількість газу, від 30 треба відняти ту кількість газу, яка вже була в резервуарі для зберігання газу на початку досліду.
- Вимкнути блок живлення.
- Відкрити затискачі для шлангів, щоб вода потрапила назад у резервуари для зберігання газу.
- Знову закрити затискачі для шлангів.
Протокол
Опрацювання результатів (1/6)
Частина досліду 1: енергетичний ККД
Оскільки значення сили струму й напруги під час досліду доволі сталі, електричну роботу можна визначити множенням сили струму, напруги й часу (потрібного для добування 30 водню).
Енергетичний ККД - це відношення корисної енергії до підведеної. Корисну енергію обчислюють за теплотою згоряння водню.
Опрацювання результатів (2/6)
- = енергетичний ККД
- = відведена, тобто корисна енергія
- = підведена енергія
- = електрична енергія
- = об'єм утвореного газоподібного водню
- = теплота згоряння водню =
Енергетичний ККД електролізера, який дістаємо з обчислення, описує частку підведеної енергії, що зберігається у водневому газі.
Опрацювання результатів (3/6)
Частина досліду 2: фарадеївський ККД
За виміряними силою струму й часом, потрібним для заповнення резервуара для водню 30 газу, можна визначити фарадеївський ККД.
Фарадеївський ККД описує відношення утвореної кількості газу до теоретично можливої кількості газу, яку можна було б утворити з підведеною енергією. Із другого закону Фарадея: , а також із загального рівняння стану газів: випливає:
Підставивши вираз для n у другу формулу для V, теоретично утворений об'єм газу можна обчислити за такою формулою:
Опрацювання результатів (4/6)
При цьому слід зважати, що подвійний електролізер PEM складається з двох послідовно з'єднаних електролізних комірок, тож сила струму в кожній комірці однакова, а обчислений об'єм газу утворюється в кожній комірці, - цим і пояснюється множник два. Крім того:
- Q = електричний заряд
- = теоретично утворений об'єм газу
- I = середня сила струму
- T = температура довкілля (25 °C = 298,15 К)
- t = час
Опрацювання результатів (5/6)
- R = універсальна газова стала =
- F = стала Фарадея =
- p = тиск довкілля у Па (нормальний тиск = за T = 25°C)
- z = кількість електронів, потрібних, щоб виділити одну молекулу ()
Якщо утворений об'єм співвіднести з обчисленим теоретичним об'ємом, за такою формулою дістанемо фарадеївський ККД :
Опрацювання результатів (6/6)
Фарадеївський ККД помітно більший за енергетичний, бо в ньому враховано лише втрати при безпосередньому перетворенні через дифузію. Тобто невелика частина газів дифундує крізь мембрану електролізера, де вони на каталізаторі знову реагують у воду. Ця невелика частина утвореного газу, яка одразу знову перетворюється на воду, не може вийти з комірки.
В енергетичному ККД додатково відіграють роль втрати через специфічні для електродів перенапруги та внутрішній опір електролізної комірки.