Інформація про викладача
Інформація для викладачів
Опис
Експериментальна установка
Коефіцієнт корисної дії паливного елемента (ККД) - це показник ефективності перетворення енергії. Розрізняють дві різні ефективності: енергетичну та фарадеївську.
При відновленні енергії, що зберігається у водні та кисні, в електричну енергію, важливо, щоб це відбувалося якомога ефективніше. Коефіцієнт корисної дії залежить від багатьох різних факторів, наприклад, від вологості паливного елемента, температури, при якій він експлуатується, і тиску повітря. Тому для різних паливних елементів PEM часто зустрічаються різні коефіцієнти корисної дії.
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 досліджено та розраховано різні коефіцієнти корисної дії паливного елемента PEM.
Додаткова інформація для викладачів (2/2)
Мета навчання
Студенти повинні вміти правильно інтерпретувати ефективність паливного елемента PEM.
Завдання
Дослідіть ефективність паливного елемента
Інформація для студентів
Мотивація
Реакція взаємодії між воднем і киснем має багато застосувань у системах накопичення енергії. Для правильного 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, 500 мм, синій | 07361-04 | 2 |
| 3 | З'єднувальний провідник, 250 мм, червоний | 07360-01 | 2 |
| 4 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 1 |
| 5 | З'єднувальний, кутовий, модуль SB | 05601-02 | 3 |
| 6 | З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 4 |
| 7 | З'єднувальний, розімкнутий, модуль SB | 05601-04 | 1 |
| 8 | З'єднувальний, прямий, модуль SB | 05601-01 | 1 |
| 9 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 1 |
| 10 | Лабораторний термометр, -10..+110°C | 38056-00 | 1 |
| 11 | Секундомір, цифровий, 24 години, 1/ 100 с та 1 с | 24025-00 | 1 |
| 12 | Система для зберігання газу, SB | 05666-00 | 2 |
| 13 | PEM - подвійний паливний елемент, SB | 05664-00 | 1 |
| 14 | PEM електролізер з мембраною протонного обміну (МПО), SB | 05665-00 | 1 |
| 15 | Потенціометр 250 Ом, модуль SB | 05623-25 | 1 |
| 16 | Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою | 07122-00 | 2 |
| 17 | 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 (1/6)
Підключіть два з'єднувальних лінійних модулі з роз'ємами підключення, а також два резервуари для зберігання газу та електролізер PEM, позначений синім кольором, як показано на рис. 1.
Рис. 1
Підготовка (2/6)
Приєднайте трубку до вільного кінця кожного резервуара з газом, що залишився, і зафіксуйте кожну трубку затискачем (хомутом) (рис. 2).
Зберіть електричну схему з паливного елемента, потенціометра та з'єднувальних модулів, як показано на рис.3.
Зверніть увагу на полюси.
Тепер з'єднайте обидва вузли електричного кола. Перевірте полюси окремих елементів. Полюси зліва від паливного елемента та електролізера повинні відповідати полюсам справа.
Якщо необхідно, переверніть паливний елемент.
Рис. 2
Підготовка (3/6)
Налийте приблизно 150 мл дистильованої води у склянку об'ємом 400 мл. Заповніть обидва резервуари для газу зверху до верхньої позначки (рис. 4).
Увага:Використовуйте тільки дистильовану воду
Рис. 3
Рис. 4
Підготовка (4/6)
Відкрийте затискачі трубки так, щоб вода стікала в ємність для зберігання. Вільний кінець трубки слід підняти трохи вгору, щоб уникнути розливання води (рис.5).
Рис. 5
Рис. 6
Підготовка (5/6)
Зніміть затискачі трубок і під'єднайте вільні кінці трубок до паливного елемента (рис. 6).
Дві додаткові трубки призначені для запобігання потрапляння води, що витікає, на контакти.
Підключіть лінійні модулі з роз'ємами відповідно до полярності на електролізері до роз'ємів постійного струму блоку живлення (рис. 7).
Рис.7
Підготовка (6/6)
Амперметр під'єднують до кола, як показано на рис. 8. Паралельно до джерела напруги підключають вольтметр (рис. 9). Встановлюють вольтметр на діапазон вимірювання 20 В, а амперметр на 20 А. Джерело живлення вимкнено.
Рис. 8
Рис. 9
Виконання роботи (1/3)
Відрегулюйте напругу до 2 В і поверніть ручку регулювання сили струму до упору вправо до 2 А. Увімкніть блок живлення. Дайте електролізеру попрацювати близько трьох хвилин, щоб повітря, яке залишилося в системі, могло вийти через паливний елемент.
Зніміть трубки з нижніх отворів паливного елемента PEM і закрийте їх герметичною заглушкою, щоб газ більше не міг виходити (рис. 10). Зачекайте, поки резервуар для зберігання газу (водню) повністю заповниться.
Вимкніть блок живлення і закрийте трубки від електролізера до ємності для зберігання водню затискачами (хомутами) (рис. 11).
Рис. 10
Виконання роботи (2/3)
Поверніть ручку регулювання на потенціометрі для резистора так, щоб напруга була становить близько 0,35 В.
Зачекайте, поки об'єм газоподібного водню становитиме 30 . Запустіть секундомір, з кроком 5 зчитуйте значення напруги і сили струму і запишіть до таблиці 1, доки об'єм водню не стане рівним 10 .
Також виміряйте температуру навколишнього середовища термометром і введіть її в розділі "Результати". Якщо виміряні значення сили струму сильно коливаються під час вимірювання, вимірювання слід повторити.
Після завершення вимірювання закрийте паливний елемент раніше знятими трубками.
Рис. 11
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. 12).
Зробіть те ж саме з другим резервуаром для газу.
Рис. 12
Протокол
Спостереження (1/2)
Запишіть виміряні значення в таблицю. Потім обчисліть відповідну потужність і внесіть її в таблицю. Також обчисліть температуру навколишнього середовища в Кельвінах.
V []
t [с]
0
5
10
Спостереження (2/2)
Запишіть виміряні значення в таблицю. Потім обчисліть відповідну потужність і внесіть її в таблицю. Також обчисліть температуру навколишнього середовища в Кельвінах.
t [с]
V []
15
20
Оцінка (1/4)
Побудуйте графік залежності об`єму спожитого газу водню від часу. Опишіть криву та спробуйте інтерпретувати діаграму.
Питання
Питання
Оцінка (2/4)
Енергоефективність описує відношення виробленої електричної енергії до енергії, що зберігається у водні.
Розрахуйте енергоефективність, використовуючи наведені дані. Про що це свідчить?
де E = Енергія
= ефективність (ККД)
= теплотворна здатність водню = 10,8 - Дж/
= спожитий водень = об'єм газу,
P = середня потужність паливного елемента, Вт
t = час, с
Оцінка (3/4)
Коефіцієнт корисної дії 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 (4/4)
Обчисліть ефективність (ККД) Фарадея. Про що це свідчить?