Загальна інформація
Застосування
Фарадеївський та енергетичний ККД
паливного елемента PEM
Подібно до електролізерів, є й різні паливні елементи. У досліді використано паливний елемент PEM, який належить до найпоширеніших узагалі, бо він компактний і простий у користуванні.
Паливні елементи застосовують для електроживлення будинків, легкових автомобілів, а також в автобусах.
У цьому досліді досліджують, які ККД має паливний елемент і як їх обчислюють.
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
У першій частині досліду визначають енергетичний ККД, який є відношенням між енергією, накопиченою в газі, і придатною до використання електричною енергією з неї. Далі досліджують фарадеївський ККД, який є відношенням між реально використаною кількістю газу і теоретично обчисленим значенням.
Інша інформація (2/3)
Навчальна мета
Учні знайомляться з фарадеївським та енергетичним ККД. Відповідно учні можуть визначити чи обчислити ці ККД у досліді.
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 (1/2)
Енергетичний ККД
- Енергію, накопичену у водні, обчислюють за теплотою згоряння водню .
- Оскільки під час перетворення газоподібних вихідних речовин ентальпію конденсації від газоподібної до рідкої води в паливному елементі використати не можна, тут слід рахувати саме з теплотою згоряння.
Енергетичний ККД - це тут відношення виробленої електричної енергії до енергії, накопиченої у водні.
Позначення параметрів
енергетичний ККД
відведена, тобто корисна енергія
підведена енергія
електрична енергія
об'єм використаного газоподібного водню
теплота згоряння водню
Справджується:
Теорія (2/2)
Фарадеївський ККД
Цей ККД описує відношення теоретично використаної кількості газу до фактично використаної. Із другого закону Фарадея: , а також із рівняння стану газів: випливає:
і . Якщо підставити вираз у другу формулу для , можна обчислити теоретично утворений об'єм газу:
. Якщо обчислений теоретичний об'єм співвіднести з використаним об'ємом, за такою формулою дістанемо фарадеївський ККД :
електричний заряд
теоретично утворений об'єм газу
середня сила струму
температура довкілля (25 °C = 298,15 К)
час
універсальна газова стала =
Справджується:
стала Фарадея =
тиск довкілля у Па. Нормальний тиск = за
Справджується:
кількість електронів, потрібних, щоб виділити одну молекулу
Позначення параметрів
Обладнання
Складання та виконання
Складання (1/3)
- Склади електричне коло для електролізера та паливного елемента (рисунок).
- Декаду опорів встановлюють на (розімкнено).
- Зверни увагу на полярність електролізера.
- Постав обидва резервуари для зберігання газу праворуч і ліворуч від електричного кола і з'єднай їх з електролізером та паливним елементом силіконовими шлангами.
Складання (2/3)
- Додай у коло мультиметри та блок живлення.
- Простеж, щоб резервуар біля негативного полюса електролізера був з'єднаний зі стороною паливного елемента для , а резервуар з позитивного боку - зі стороною для .
- При цьому мультиметрами ADM3 протягом досліду мають реєструватися напруга та струм у верхньому колі.
- Блок живлення поки що вимкнений.
Складання (3/3)
Патрубки та
отвір для повітря закриті
- Спочатку від'єднай силіконові шланги від паливного елемента.
- Тримай шланги догори і наповни резервуари для зберігання газу дистильованою водою до нижньої позначки, так щоб вода стекла в нижню частину резервуарів з газом. Знову з'єднай шланги з паливним елементом.
- Закрий вихідні патрубки паливного елемента та отвір для подачі повітря (див. рисунок).
Наповнення резервуарів
Виконання (1/3)
Частина досліду 1: енергетичний ККД
Енергетичний ККД
- На блоці живлення встанови напругу і обмеження струму , потім увімкни блок живлення і встанови напругу .
- Після того як утвориться щонайменше водню, відкрий вихідні патрубки, щоб витіснити повітря, яке ще лишилося в паливному елементі.
- Знову закрий вихідні патрубки.
Виконання (2/3)
Резервуар для зберігання газу
- Коли резервуар для водню з негативного боку електролізера досягне позначки , блок живлення слід знову встановити на .
- Декаду опорів встановлюють на , зупиняють вимірювання часу і вимірюють напругу та струм . (придатне середнє значення).
- Коли кількості газу знову досягнуть початкового значення, слід записати електричну роботу (Опрацювання результатів).
- Вимкни блок живлення. Декаду знову постав на і відкрий вихідні патрубки, щоб вода стекла назад.
Виконання (3/3)
Фарадеївський ККД
- Розмісти занурювальний зонд подалі від джерел тепла й холоду, щоб можна було визначити температуру в приміщенні.
- На блоці живлення встанови напругу і обмеження струму .
- Увімкни блок живлення і виконай підготовчий етап та вимірювання так само, як у першій частині.
- Знову запиши електричну роботу та температуру довкілля (Опрацювання результатів).
Опрацювання результатів (1/4)
Частина досліду 1
Електрична робота на початку зростає сильніше, ніж наприкінці. Згоряння газів триває:
Завдяки цьому виконано електричну роботу:
.
Частина досліду 2
Температура в приміщенні становить:
Згоряння газів триває:
Під час згоряння виконується електрична робота:
.
Опрацювання результатів (2/4)
Енергетичний ККД
-mexBVi1u.avif)
Обчисли енергетичний ККД паливного елемента:
енергетичний ККД
відведена, тобто корисна енергія
підведена енергія
електрична енергія
об'єм використаного газоподібного водню
теплота згоряння водню
Справджується:
Натисни синю кнопку, щоб отримати підказку
= теплота згоряння водню =
Опрацювання результатів (3/4)
Обчисли :
Фарадеївський ККД
Із теорії (2/2) ми знаємо, що:
і
Якщо підставити вираз у другу формулу для , можна обчислити теоретично утворений об'єм газу:
електричний заряд
теоретично утворений об'єм газу
середня сила струму
температура довкілля (25 °C = 298,15 К)
час
універсальна газова стала =
Справджується:
стала Фарадея =
тиск довкілля у Па. Нормальний тиск = за
Справджується:
кількість електронів, потрібних, щоб виділити одну молекулу
При цьому слід зважати, що подвійний паливний елемент складається з двох послідовно з'єднаних паливних елементів, тож результат тут потрібно помножити на
множник два.
Фарадеївський ККД тепер такий:
електричний заряд
теоретично утворений об'єм газу
середня сила струму
температура довкілля (25 °C = 298,15 К)
час
універсальна газова стала =
Справджується:
стала Фарадея =
тиск довкілля у Па. Нормальний тиск = за
Справджується:
кількість електронів, потрібних, щоб виділити одну молекулу
Опрацювання результатів (4/4)
- Незначне зменшення сили струму в обох частинах досліду частково спричинене утворенням води в паливному елементі. Це має такий самий наслідок, як і зменшення площі мембрани, тож за одиницю часу може перетворитися менше водню.
- Крім того, на сполучення газів водню й кисню у воду потрібно більше часу, ніж на розщеплення такої самої кількості води. За довший проміжок часу крізь мембрану дифундує більше водню, який потім уже не доступний для вироблення струму.