Інформація для викладачів
Опис
Паливні елементи можна використовувати для виробництва енергії. Гібридні та водневі автомобілі використовують їх як альтернативу викопному паливу.
Експериментальна установка
Додаткова інформація для викладачів (1/2)
Попередні знання
Принцип
В якості попередніх знань студенти повинні знати хімічний склад води і бути знайомі з хімічною реакцією між воднем і киснем.
Всі паливні елементи складаються з двох електродів (катода і анода) і електроліту, який розділяє ці електроди. Режим роботи відповідає зворотному процесу електролізу. Паливні елементи класифікуються за типом електроліту. Це визначає, наприклад, робочу температуру, ККД і область застосування паливного елемента. Паливний елемент PEM не потребує ні лугу, ні кислоти і має лише воду в якості "відпрацьованого продукта". Електроліт складається з тонкої протонопровідної мембрани. Ця мембрана з обох боків захищена каталітичним покриттям, яке утворює катод і анод паливного елемента. Паливний елемент PEM генерує електричну енергію з водню і кисню (або повітря) з високою продуктивністю.
Додаткова інформація для викладачів (2/2)
Мета навчання
Студенти повинні зрозуміти, як вода може бути отримана з її компонентів, і що цей процес може бути використаний для виробництва енергії.
Завдання
Паливний елемент ПЕМ генерує електричну енергію з водню та кисню. В експерименті ці гази утворюються за допомогою ПЕМ-електролізера.
Інформація для студентів
Мотивація
Реакції між воднем і киснем мають багато застосувань в автомобілебудуванні.
Тому розуміння цих реакцій, в тому числі і при зворотному ході реакції, представляє особливий інтерес.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 1 |
| 2 | Двигун, 5 В, модуль SB | 05660-00 | 1 |
| 3 | З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 2 |
| 4 | З'єднувальний, кутовий, модуль SB | 05601-02 | 4 |
| 5 | З'єднувальний, прямий, модуль SB | 05601-01 | 2 |
| 6 | Секундомір, цифровий, 24 години, 1/ 100 с та 1 с | 24025-00 | 1 |
| 7 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 1 |
| 8 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 1 |
| 9 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 1 |
| 10 | Система для зберігання газу, SB | 05666-00 | 2 |
| 11 | PEM електролізер з мембраною протонного обміну (МПО), SB | 05665-00 | 1 |
| 12 | PEM - подвійний паливний елемент, SB | 05664-00 | 1 |
| 13 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
| 14 | Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою | 07122-00 | 1 |
| 15 | З'єднувальний провідник, 250 мм, червоний | 07360-01 | 1 |
Інформація про безпеку
Інформація з техніки безпеки
H: 220 / 270
P: 210 / 220
Кисень - безбарвний, без запаху і смаку окислювальний газ. При контакті з легкозаймистими речовинами є пожежонебезпечним.
Водень - безбарвний горючий газ без запаху і смаку, який легко утворює вибухонебезпечні суміші з повітрям. При проведенні експериментів з воднем необхідно заздалегідь усунути всі джерела займання.
Одягайте захисні окуляри.
Підготовка (1/6)
Підключіть два лінійних модулі з роз'ємом для підключення, а також два резервуари для зберігання газу та електролізер PEM, позначений синім кольором, як показано на рис. 1.
Підключіть обидва резервуари для зберігання газу до електролізера PEM за допомогою двох трубок.
Рис. 1
Підготовка (2/6)
Приєднайте трубку до вільного кінця кожного резервуара з газом, що залишився, і зафіксуйте кожну трубку хомутом (рис. 2).
Зберіть електричну схему для паливного елемента, двигуна та з'єднувальніх модулів, як показано на рис. 3.
Зверніть увагу на полюси. Під'єднайте позитивний полюс двигуна до позитивного полюса паливного елемента.
Рис. 2
Підготовка (3/6)
Тепер з'єднайте обидва вузли електричного кола, як показано на рис. 4. Перевірте полюси окремих елементів. Полюси зліва від паливного елемента, електролізера і двигуна повинні відповідати полюсам справа. Якщо необхідно, переверніть двигун і паливний елемент.
Рис. 3
Рис. 4
Підготовка (4/6)
Налийте приблизно 150 мл дистильованої води у склянку об'ємом 400 мл. Заповніть обидва резервуари для зберігання газу від верхньої до нижньої позначки (рис. 5).
Увага:Використовуйте тільки дистильовану воду
Рис. 5
Рис. 6
Підготовка (5/6)
Відкрийте затискачі трубки так, щоб вода стікала в ємність для зберігання. Вільний кінець трубки слід підняти трохи вгору, щоб уникнути розливання води (рис. 6).
Зніміть затискачі трубок і під'єднайте вільні кінці трубок до паливного елемента (рис. 7).
Рис. 7
Рис. 8
Підготовка (6/6)
Дві додаткові трубки призначені для запобігання потрапляння води, що витікає, на контакти.
Підключіть лінійні модулі із роз'ємами відповідно до полярності на електролізері (рис. 8) до роз'ємів постійного струму блоку живлення.
Блок живлення вимкнений. Підключіть вольтметр паралельно блоку живлення (рис. 9).
Рис. 9
Виконання роботи (1/3)
На блоці живлення поверніть ручку регулювання напруги до упору вліво, а ручку регулювання сили струму до упору вправо до 2А і увімкніть блок живлення.
Встановіть діапазон вимірювання вольтметра на 20 В-, подайте на блок живлення напругу 2 В і запустіть секундомір (рис. 10).
Застереження:
При більш високій напрузі існує ризик, що електролізер ПЕМ буде виведено з ладу.
Рис. 10
Виконання роботи (2/3)
Запишіть у пункті (1) розділу "Спостереження", скільки часу потрібно двигуну для запуску.
Через одну хвилину знову поверніть ручку регулювання напруги на блоці живлення до упору вліво і вимкніть блок живлення.
Зазначте в пункті (2) розділу "Спостереження", як довго двигун продовжує працювати.
Після того, як двигун зупиниться, від'єднайте його і знову підключіть приблизно через 10 секунд.
Запишіть у пункті (3) Ваші спостереження.
Запишіть у пункті (4) розділу "Спостереження", що можна побачити в паливному елементі після експерименту.
Виконання роботи (3/3)
Спорожнення резервуара для зберігання газу:
При вимкненому блоці живлення від'єднайте провідники та лінійні модулі. Переконайтеся, що затискачі трубок закриті, і візьміться кожною рукою за один резервуар для зберігання газу. Не знімайте електролізер. Підніміть один з двох резервуарів для газу над склянкою і вилийте його вміст через край (рис. 11).
Зробіть те ж саме з другим резервуаром для газу.
Рис. 11
Протокол
Спостереження 1
Питання
Питання
Спостереження 2
Питання
Питання
Спостереження 3
Що сталося, коли Ви вимкнули і знову увімкнули двигун?
Спостереження 4
Що Ви побачили в паливному елементі?
Оцінка (1/6)
Чому двигун не запустився одразу?
Оцінка (2/6)
Питання
Питання
Оцінка (3/6)
Чому двигун продовжує працювати, коли припиняється подача енергії, і чому він поступово сповільнюється? Коли ____ вимкнений, це означає лише те, що ____ більше не виробляється. Тим не менш, газ, який все ще присутній, споживається. Коли спожито достатню кількість ____ і кисню, ____ цих двох речовин у повітрі знижується, і в певний момент до ____ потрапляють лише ізольовані молекули водню і кисню. Виробляється менше ____, і тому двигун працює повільніше.
Оцінка (4/6)
Чому при повторному вмиканні після вимкнення двигун на короткий час знов починає працювати? Навіть якщо двигун не працює, це не означає, що ____ не генерується. Просто його недостатньо для роботи двигуна. Якщо зняти двигун, між позитивним і негативним полюсами утворюється ____. Якщо знову встановити двигун, то раніш перерване ____ знову замкнеться, і по ньому потече струм. Цей струм більший завдяки ____ і достатній для роботи двигуна. Однак ця енергія досить швидко розряджається, і двигун знову зупиняється.
Оцінка (5/6)
Порівняйте експериментальну установку з акумуляторною батареєю. Що спільного? У чому відмінності?
Оцінка (6/6)
Як працює паливний елемент PEM?