Інформація для викладачів
Опис
Експериментальна установка
Коефіцієнт корисної дії електролізера - це показник ефективності перетворення енергії. При розробці нових технологій важливо, щоб технологія також стала економічно виправданою. Якщо ефективність (ККД) занадто низька, немає сенсу впроваджувати нові технології.
Додаткова інформація для викладачів (1/2)
Попередні знання
В якості попередніх знань студенти повинні знати хімічний склад води і бути знайомі з хімічною реакцією між воднем і киснем.
Принцип
У цьому експерименті досліджується різна ефективність електролізера.
Додаткова інформація для викладачів (2/2)
Мета навчання
Студенти повинні вміти розбиратися в електролізерах PEM.
Завдання
Дослідіть ефективність електролізера.
Інформація для студентів
Мотивація
Реакція взаємодії між воднем і киснем має багато застосувань у системах накопичення енергії. Для ефективного використання необхідно знати ефективність паливного елемента
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 2 |
| 2 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 2 |
| 3 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 1 |
| 4 | З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 2 |
| 5 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 1 |
| 6 | Секундомір, цифровий, 24 години, 1/ 100 с та 1 с | 24025-00 | 1 |
| 7 | Лабораторний термометр, -10..+110°C | 38056-00 | 1 |
| 8 | Система для зберігання газу, SB | 05666-00 | 2 |
| 9 | PEM електролізер з мембраною протонного обміну (МПО), SB | 05665-00 | 1 |
| 10 | Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою | 07122-00 | 2 |
| 11 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 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 (1/5)
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.
Рис. 1
Підготовка (2/5)
Приєднайте трубку до вільного кінця кожного резервуара з газом, що залишився, і зафіксуйте кожну трубку затискачем (хомутом) (рис. 2).
Налийте приблизно 150 мл дистильованої води у склянку об'ємом 400 мл. Заповніть обидва резервуари для газу зверху до верхньої позначки (рис. 3).
Увага:
Використовуйте тільки дистильовану воду
Рис. 2
Підготовка (3/5)
Відкрийте затискачі трубки так, щоб вода стікала в ємність для зберігання. Вільний кінець трубки слід підняти трохи вгору, щоб уникнути розливання води (рис. 4).
Рис. 3
Рис. 4
Підготовка (4/5)
Знову під'єднайте хомути трубок. Підключіть лінійні модулі з роз'ємами відповідно до полярності на електролізері до роз'ємів постійного струму блоку живлення. Підключіть мультиметр для вимірювання струму (амперметр) послідовно до електролізера (рис. 5 і рис. 6).
Рис. 5
Рис. 6
Підготовка (5/5)
Також підключіть мультиметр для вимірювання напруги (вольтметр) паралельно до електролізера ПЕМ (рис. 7 і рис. 8). Встановіть амперметр на діапазон вимірювання 20 А, а вольтметр - на діапазон вимірювання 20 В. Переконайтеся, що при підключенні до амперметра використовують роз'єм на 20 А.
Рис.7
Рис.8
Виконання роботи (1/2)
Поверніть ручку регулювання напруги на блоці живлення до упору вліво.
Увімкніть джерело живлення і поверніть ручку регулювання сили струму до упору вправо до значення 2 А.
Відрегулюйте напругу до 2 В і дайте електролізеру попрацювати близько однієї хвилини.
Поверніть ручку регулювання сили струму до 0 А і відкрийте затискачі трубок, щоб газ, що утворився до цього моменту, міг вийти.
Закрийте затискачі трубок. Швидко збільште силу струму до 2 А, одночасно запустіть секундомір і запишіть значення напруги та сили струму в таблицю 1 при .
Через кожні 5 виробленого водню занотовуйте час, напругу і силу струму в таблицю 1 до повного заповнення резервуара для зберігання газу.
Також виміряйте температуру навколишнього середовища термометром і запишіть її в розділі "Результати".
Виконання роботи (2/2)
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. 14).
Зробіть те ж саме з другим резервуаром для газу.
Рис. 9
Протокол
Спостереження (1/3)
Запишіть температуру навколишнього середовища:
°C
Спостереження (2/3)
Внесіть свої виміри в таблицю.
І [А]
P [Вт]
V
t [с]
U [В]
0
5
10
15
Спостереження (3/3)
Внесіть свої виміри в таблицю.
P [Вт]
U [В]
І [А]
V
t [с]
20
25
30
Оцінка (1/6)
Обчисліть потужність, пов'язану з виміряними значеннями в таблиці 1, і внесіть її в таблицю.
Також обчисліть температуру в приміщенні в Кельвінах:
K
Оцінка (2/6)
Розрахунок енергоефективності (ККД)
Енергоефективність описує відношення фактично використаної енергії до підведеної енергії. У цьому випадку корисною енергією є енергія, яка може бути використана електролізером для виробництва газу. Розрахуйте енергоефективність ККД електролізера, як зазначено. Про що це свідчить?
де E = Енергія, Дж, = ефективність ККД), %
= теплотворна здатність кисню = 12,745 - Дж/
= спожитий водень = об'єм газу,
P = середня потужність паливного елемента, Вт
t = час, с
Оцінка (3/6)
Чому енергоефективність (ККД) електролізера PEM не досягає 100%? Реальна ____ відрізняється від ____ напруги розкладання залежно від електрода. Крім того, втрати відбуваються у ____ ____ і через ____ ____.
Оцінка (4/6)
Розрахунок ефективності (ККД) Фарадея
ККД Фарадея описує відношення теоретично спожитої до фактично спожитої кількості газу.
З другого закону Фарадея:
та загального рівняння стану для ідеальних газів:
знайдемо об`єм газу:
Звідси, ефективність (ККД) Фарадея дорівнює:
де Q - електричний заряд, Кл, V - розрахунковий об'єм газу,
R = універсальна газова стала = 8,314 Дж/(моль-К),
I = середня сила струму, А, T = температура навк. середовища, К
t = час, с, F = стала Фарадея = 96485 (А-с)/моль
P = тиск навк. середовища, Па
(1 Па = 1 Н/ , норм. тиск: 1,013- Па
z - кількість електронів, необхідних для розщеплення молекули (z(H2)=2)
Оцінка (5/6)
Розрахуйте ефективність (ККД) Фарадея
Оцінка (6/6)
Чому ефективність Фарадея значно вища за енергетичну ефективність? Ефективність (ККД) Фарадея враховує лише втрати при безпосередньому перетворенні ____ на ____ і кисень. Невелика частина отриманих ____ ____ через ____ електролізера і, таким чином реагує на ____ з утворенням води.