Загальна інформація
Застосування
Виробництво електричної енергії за допомогою паливного елемента та сонячно-водневої установки
Накопичувати сонячну енергію потрібно, бо вона доступна не цілодобово. Середовищем для накопичення в майбутньому міг би слугувати водень.
Виробляючи водень електролізером, його можна зберігати в резервуарах з газом. Після подальшого подавання водню в паливний елемент виробляється електрична енергія, і споживач може її використати.
У цьому досліді учні знайомляться з цим принципом на прикладі сонячно-водневої установки.
Інша інформація (1/3)
Попередні знання
Для виконання досліду слід знати загальні основи електротехніки (паралельне та послідовне з'єднання). Крім того, передбачається безпомилкове поводження з приладами.
Принцип
Щоб можна було використати гази, які утворюються під час електролізу, потрібен паливний елемент. Він при подаванні обох газів створює напругу, а з газів знову утворюється вода.
У першій частині досліду якісно досліджують, як можна живити двигун від сонячно-водневої установки і чи достатньо для цього газів, що містяться в повітрі. У другій частині досліду має відбутися кількісне дослідження установки.
Інша інформація (2/3)
Навчальна мета
Учні здобувають знання про розділення води на водень і кисень за допомогою електролізера. Крім того, вони усвідомлюють, як паливний елемент цим способом виробляє енергію і може живити споживач.
Інша інформація (3/3)
Вказівки щодо складання та виконання
- Для резервуара з газом використовуй лише дистильовану воду.
- Максимальна напруга електролізера становить 4 В, максимальна сила струму - 2 А.
- Перед виконанням електролізер має пропрацювати близько 2 хв на холостому ходу.
Подвійний електролізер PEM за напруги 4,0 В має силу струму щонайменше 0,6 А (номінальні значення). Якщо сила струму електролізера менша, то за тривалішої роботи вона зазвичай поступово зростає. Якщо цього не відбувається, обидва виводи електролізера потрібно замкнути накоротко на одну хвилину або й на довше.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Щодо H- і P-формулювань звертайся до паспорта безпеки відповідної хімічної речовини.
Теорія
wikipedia - приклад електролізу води
Енергія перетворюється сонячним елементом на електричну енергію. Завдяки цій енергії електролізер розпочинає електроліз води. Вода розкладається на водень і кисень.
Рівняння реакції має вигляд:
Коли потрібна енергія, водень за допомогою паливного елемента можна знову перетворити на електричну енергію.
Обладнання
Складання та виконання
Складання (1/5)
Частина досліду 1: якісний дослід
- Склади за рисунком електричне коло для електролізера та паливного елемента.
- Зверни увагу на полярність електролізера та паливного елемента.
- З'єднай сонячні батареї послідовно і під'єднай їх до електролізера.
- Для цього з'єднай червоний штекер з позитивним полюсом, а синій штекер - з негативним полюсом.
Складання (2/5)
- Постав обидва резервуари для зберігання газу праворуч і ліворуч від електричного кола і з'єднай їх з електролізером силіконовими шлангами.
- До вільного кінця кожного з двох резервуарів приєднай ще один силіконовий шланг і перекрий його затискачем.
- Наповни резервуари для зберігання газу дистильованою водою до нижньої позначки.
Складання (3/5)
- Від'єднай шланги від паливного елемента і тримай їх догори, щоб вода стекла в нижню частину резервуарів з газом.
- Закрий затискачі шлангів і знову з'єднай шланги з вхідними патрубками паливного елемента.
- Простеж, щоб резервуар біля негативного полюса електролізера був з'єднаний зі стороною паливного елемента для , а резервуар з позитивного боку - зі стороною для .
- Відкрий вихідні патрубки паливного елемента і закрий отвір для подачі повітря (див. рисунок).
Складання (4/5)
- Тримач із затискачем розмістити на верхньому краї дошки над сонячною батареєю і ретельно закрутити.
- Закріпити в ньому штативний стрижень із лампою і спрямувати її на сонячну батарею.
- Відстань між серединою сонячної батареї і передньою частиною лампи має становити приблизно 35 см.
Складання лампи
Складання (5/5)
Частина досліду 2: кількісний дослід
- Заміни один із двох прямих з'єднувальних модулів на розімкнутий.
- Увімкни між паливним елементом і двигуном мультиметри ADM3.
- При цьому слід вимірювати струм у напрямку двигуна та напругу на паливному елементі.
Виконання (1/4)
Частина 1 - якісний дослід
- Спрямуй лампу так, щоб світловий конус падав на обидві сонячні батареї однаковою мірою і по змозі перпендикулярно.
- Увімкни лампу і спостерігай за електролізером.
- Коли обидва резервуари для зберігання газу наповнені щонайменше газу, спершу треба відкрити затискач шланга з боку кисню паливного елемента.
- Спостерігай за двигуном.
Виконання (2/4)
- Відкрий отвір для подачі повітря паливного елемента і спостерігай за двигуном.
- Відкрий затискач шланга з боку водню паливного елемента і спостерігай за двигуном далі.
- Вимкни лампу.
- Закрий затискачі шлангів.
Виконання (3/4)
Частина досліду 2: кількісний дослід
- Увімкни лампу і зачекай, доки в одному з двох резервуарів для зберігання газу не буде щонайменше газу.
- Вимкни лампу.
- Знову спершу відкрий затискач шланга з боку кисню, а потім з боку водню паливного елемента.
- Уважно спостерігай при цьому за двигуном і запиши напругу та силу струму.
Виконання (4/4)
- Зчитай з мультиметрів максимальну напругу та силу струму.
- Обчисли з цих значень потужність і внеси її до таблиці.
Напруга Струм Потужність
Опрацювання результатів (1/3)
Частина досліду 1
якісний дослід
Питання
Питання
Питання
Питання
Питання
Опрацювання результатів (2/3)
Перетягни слова у правильні поля! Паливному елементу потрібні водень і ____, щоб він міг виробляти електричну енергію. У повітрі ____ становить лише 3 %. Натомість ____ в повітрі становить 21 %. При відкриванні затискача шланга для ____ до паливного елемента подається чистий водень, і частки кисню з повітря вистачає, щоб виробити достатньо ____, і двигун починає обертатися.
Опрацювання результатів (3/3)
У другій частині досліду двигун при відкриванні затискача шланга з боку кисню також не працює. Якщо ж відкрити затискач з боку водню, то видно таке: напруга лишається сталою, а сила струму зазнає коливань.
На початку має виникнути помітний пік потужності. Коливання значень виникають через тертя в двигуні, а пік на початку - через підвищену початкову потужність, потрібну двигуну для запуску, щоб подолати тертя
