Інформація для викладачів
Опис
Експериментальна установка
Важливим елементом для роботи паливного елемента PEM є водень. Для згоряння в паливному елементі він потрібен у високій концентрації. Хоча в атмосфері Землі міститься до 4 % водню за об'ємом, він здебільшого зв'язаний у водяній парі; вільний водень зустрічається набагато рідше.
Паливний елемент PEM не може генерувати електроенергію при такій концентрації. Паливний елемент PEM вимагає більш високих концентрацій водню, але кисню в повітрі достатньо для горіння. Це має перевагу, наприклад, в тому, що потрібен лише один резервуар для зберігання газу.
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 вольт-амперна характеристика паливного елемента, що працює на повітрі. Таким чином, електролізер не подає додаткового чистого кисню до паливного елемента.
Додаткова інформація для викладачів (2/2)
Мета навчання
Студенти повинні знати, як працює система паливних елементів, що працюють на повітрі.
Завдання
Дослідити вольт-амперну характеристику системи паливних елементів
Інформація для студентів
Мотивація
Реакція взаємодії між воднем і киснем має багато застосувань у системах накопичення енергії. Для ефективного використання необхідно знати залежність струму від напруги в системі паливних елементів.
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 | 2 |
| 9 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 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 | Потенціометр 250 Ом, модуль SB | 05623-25 | 1 |
| 14 | Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою | 07122-00 | 2 |
| 15 | 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 (1/7)
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.
Підключіть обидва резервуари для зберігання газу до електролізера PEM за допомогою двох трубок.
Приєднайте трубку до вільного кінця кожного резервуара з газом, що залишився, і зафіксуйте кожну трубку затискачем (хомутом) (рис. 2).
Рис. 1
Підготовка (2/7)
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. Переконайтеся, що накопичувач водню можна підключити до паливного елемента.
Якщо необхідно, переверніть блок електролізера.
Рис. 2
Підготовка (3/7)
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 (4/7)
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 (5/7)
Зніміть затискачі трубок і під'єднайте вільні кінці трубок до паливного елемента (рис. 6).
Додаткова трубка призначена для запобігання потрапляння води, що витікає, на контакти.
Відкрийте кришку для подачі повітря з кисневого боку паливного елемента PEM (рис. 7).
Рис.7
Підготовка (6/7)
Підключіть лінійні модулі з роз'ємами відповідно до полярності на електролізері до роз'ємів постійного струму блоку живлення (рис. 8).
Рис.8
Підготовка (7/7)
Структура (7/7)
Амперметр підключається до схеми, як показано на рис. 9. Паралельно до паливного елемента підключається вольтметр (рис. 10). Встановлюють вольтметр на діапазон вимірювання 20 В, а амперметр на 20 А. Джерело живлення вимкнено.
Рис. 9
Рис. 10
Виконання роботи (1/3)
Поверніть ручку регулювання на потенціометрі для опору до упору вліво (мал. 11).
Відрегулюйте напругу до 2 В і поверніть ручку регулювання струму до упору вправо до 2 А.
Рис. 11
Виконання роботи (2/3)
Увімкніть блок живлення.
Дайте електролізеру попрацювати близько однієї хвилини, щоб повітря, яке залишилося в резервуарі для зберігання водню, могло вийти через паливний елемент.
Повільно збільшуйте опір, повертаючи ручку регулювання потенціометра (рис. 12), і знімайте відповідні значення напруги і сили струму , запишіть їх в таблицю 1. Намагайтеся змінювати опір так, щоб записувати показання з інтервалом приблизно 0,05 В. Запишіть 12 різних виміряних значень.
Рис. 12
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. 13).
Зробіть те ж саме з другим резервуаром для газу.
Рис. 13
Протокол
Спостереження 1
Запишіть виміряні значення в таблицю. Потім обчисліть відповідну потужність у кожному випадку.
Спостереження 2
Запишіть виміряні значення в таблицю. Потім обчисліть відповідну потужність у кожному випадку.
Спостереження 3
Нанесіть виміряні значення на вольт-амперну діаграму. Побудуйте графік залежності потужності від струму.
Оцінка 1
Опишіть вольт-амперну характеристику паливного елемента ПЕМ, що працює на повітрі, зображену на рисунку. Спробуйте проінтерпретувати діаграму.
Оцінка 2
На діаграмі також показана крива потужності паливного елемента в залежності від сили струму. Коли вихідна потужність є максимальною?
Оцінка 3
Максимальна потужність паливного елемента PEM, що працює на чистому кисні, становить майже 0,5 Вт. Чому потужність паливного елемента, що працює на повітрі, нижча?