П. А. Арсеньев, А. А. Евдокимов, А. Г. Матвеева, Н. А. Яштулов icon

П. А. Арсеньев, А. А. Евдокимов, А. Г. Матвеева, Н. А. Яштулов


Смотрите также:
В. И. Евдокимов // География. 2010. № С. 3-8...
Владимир Клавдиевич арсеньев...
Сборник статей Научный редактор А. Э. Еремеев Ответственный редактор В. А. Евдокимов Омск...
А. Ф. Агарев; Н. С. Матвеева // Военно-исторический журнал. 2007. № С. 47-49...
Методические рекомендации по использованию умк по информатике и икт издательства бином на...
Методические рекомендации по использованию умк по информатике и икт издательства бином на...
Арсеньев Предварительно «Утвержден»...
А. Ю. Кирсанов, Ю. К. Евдокимов...
Расписаниезанятий...
Формат
Годовой отчет 2007 ОАО аак «прогресс» г. Арсеньев...
Коррекционно-развивающие функции...



Загрузка...
скачать


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

___________


МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

______________________________________________________________________


П.А. АРСЕНЬЕВ, А.А. ЕВДОКИМОВ, А.Г. МАТВЕЕВА , Н.А. ЯШТУЛОВ


Водородная энергетика


Сборник лабораторных работ


Москва Издательский дом МЭИ 2006


УДК


Утверждено учебным управлением МЭИ

в качестве учебного пособия для студентов


^ Подготовлено на кафедре физики и технологии электротехнических материалов и компонентов


Рецензенты:


Водородная энергетика: лабораторные работы / П.А. Арсеньев,

А.А. Евдокимов, А.Г.Матвеева, Н.А. Яштулов.–М.: Издательство МЭИ,


ISBN

Лабораторные работы включают в себя…


.

Предназначено для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей МЭИ.


ISBN © Московский энергетический институт


(технический университет), 2006


Введение


Настоящий курс лабораторных работ состоит из двух частей-рекомендаций для преподавателей и руководства для студентов. Задачей курса является постижение студентов азов водородной энергетики и получения навыков работы с водород-кислородными (воздушными) топливными элементами. Подача материала дается на качественном, доступном для студентов уровне. Более глубокое понимание вопросов, связанных с работой устройств, входящих в лабораторно-демонстрационный комплекс, требует самостоятельной проработки затронутых в курсе вопросов с использованием специальной литературы.

Планируемый курс лабораторных работ рассчитан на полную комплектацию лабораторного демонстрационного комплекса, включающего в себя солнечный элемент и метанольный топливный элемент. Упрощенный вариант комплектации не включает в себя солнечный модуль и метанольный топливный элемент. Электролизер обеспечивается энергией от отдельного источника питания, что позволяет проводить эксперименты с водород-кислородным топливным элементом.

Данное пособие является первым экспериментальным изданием курса лабораторных работ по теме «Солнечно-водородная энергетика и топливные элементы» и рекомендуется для использования как спецкурсах высшей школы, так и в общеобразовательной программе по физике и химии в средней школе, а также для популяризации идей и технологий водородной экономики будущего. Авторы будут благодарны за все критические замечания и пожелания к улучшению изложения и подачи материала.


Введение


Электродные процессы. Электродвижущие силы.

Электрод представляе6т собой часть электрохимической системы, состоящей из нескольких фаз. На границе раздела фаз электрод – электролит протекает электродная реакция, в результате которой происходит перераспределение зарядов между фазами и возникает электродный потенциал. Электродные реакции являются процессами или окисления или восстановления в электрохимической системе. Потенциалопределяющую (электродную) реакцию для данного вещества можно записать в общем виде:

Ox+ze-→Red,

Где Ox – окисленная, а Red – восстановленная форма вещества, z – число электронов.

Для сравнения окислительно-восстановительной способности электродов вводят понятие стандартных потенциалов при активности потенциалопределяющих ионов в электролите равной единице (ai=1), относительном давлении газов (если они участвуют в реакции) равном единице (pi=1). Стандартные потенциалы указываются в таблицах относительно стандартного водородного потенциала, принимаемого за нулевой потенциал. Окислитель относительно восстановителя характеризуется более положительным потенциалом.

Химические источники тока (в том числе и топливные элементы) содержат два электрода –окислитель и восстановитель и ионный проводник – электролит. Электрод, на котором происходят процессы окисления восстановителей, называется анодом. На катоде – восстанавливаются окислители. Например:

Анод: Zn - 2e → Zn2+ ( Eo = -0.76 B)

Катод: Сd2+ + 2e → Cd ( E0 = - 0.40 B)

Суммарная окислительно-восстановительная реакция (токообразующая реакция) на аноде и катоде в этом химическом источнике тока запишется так:

Zn + Cd2+ = Zn2+ + Cd

В условиях обратимости окислительно-восстановительного процесса в источнике тока электродвижущей силой (ЭДС) называется максимальная разность потенциалов катода (положительного электрода) и анода (отрицательного электрода). В нашем примере:

Е0эдс = Е0к – Е0а = 0.36 В

При прохождении через электрохимическую систему электрического тока (то есть источник тока работает под нагрузкой) напряжение становится меньше ЭДС. Почему же? Во-первых, электродные реакции протекают не мгновенно, и нарушается равновесие суммарной реакции. Замедленность стадий электродной реакций вызывает поляризацию – явление отклонения потенциала электрода от равновесного значения. Во-вторых, имеются омические потери вследствие сопротивления нагрузки электрической цепи.


Тогда можно записать:

U = Eэдс – IR – ΔЕэдс,

где U – напряжение, I – ток, R – омическое соротивление, ΔЕэдс – поляризационные потери.

При возрастании тока в источнике тока возрастают и поляризационные и омические потери. Поэтому напряжение становится все меньше ЭДС. Зависимость напряжения источника тока от силы тока или плотности тока (i=I/S, где S – площадь электрода) называется вольтамперной кривой. Дополнительной причиной уменьшения напряжения может служить расход исходных реагентов (металла, газов, ионов, жидкого топлива) при работе источника тока (при разряде), если нет непрерывного пополнения извне окислителя и восстановителя.

Электролиз.

При электролизе электрохимическая система состоит из двух электродов, которые присоединены к источнику постоянного тока и электролита. Электролиз представляет собой совокупность окислительно-восстано-вительных процессов на электродах под действием электрического тока. При электролизе электрическая энергия превращается в химическую. Путем электролиза удается осуществлять процессы, которые не могут протекать самопроизвольно, согласно законам термодинамики. Например, разложение воды (H2O) на водород и кислород, сопровождающееся увеличением энергии Гиббса (ΔG>0). Процеесы восстановления протекают на катоде (отрицательно заряженным электроде при электролизе), панример:

Au3+ + 3e → Au

1/2O2 + H2O + 2e → 2OH-

Процессы окисления идут на аноде (положительном электроде при электролизе), например:

2Cl- – 2e → Cl2

Cd – 2e → Cd

Материал анода может быть инертным (пассивным) к процессам окисления (графит, платина, тантал, никель в щелочной среде) или может окисляться – растворение металлических анодов в данных условиях электролиза. Для растворимого металлического анода реакцию окисления можно записать в следующем виде:

M – ze → M2+

На аноде – положительном электроде – в первую очередб протекают процессы окисления наиболее сильных восстановителей. То есть, тех частиц, которые характеризуются наиболее отрицательном потенуиалом.

Для проведения электролиза к электродам необходимо приложить определенное внешнее напряжение U. В идеальном случаи, эта величина должна быть равной ЭДС электрохимической реакции, обратной той, которая протекает при электролизе. В реальном процессе электролиза энергия дополнительно расходуется на омические потери во внешней и внутренней цепи (IR), а также на поляризацию электродов (ΔЕэдс). Поляризация вызвана как замедленностью стадии диффузии реагирующих веществ в электролитах, так и с замедленностью протекания самих реакций на электродах. Таким образом, напряжение электролиза, при котором начинается реакция, равно:

U = Еэдс + IR + ΔЕэдс

Кроме омических энергозатрат и потерь, связанные с поляризацией, при электролизе могут быть потери, обусловленные побочными реакциями и выход данного вещества продукта реакции, снижаются. Согласно объединенному закону Фарадея при прохождении при прохождении через электрод количества электричества, равного одному фарадею (1F=96500А с = 26,8 А с), на нем испытывает превращение один моль – эквивалент вещества:

m = MэIt/F,

где m – масса вещества в граммах, Мэ – молярная масса эквивалента (г/моль), t – время в секундах.

Если на электроде могут протекать одновременно несколько реакций с примерно равными потенциалами, то общее количество электричества (Qобщ = It ) затрачивается на все эти реакции. Выход по току (Вi) показывает, какая доля общего количества электричества расходуется на превращение данного (i-го) вещества:

Bi = Qi/Qобщ

Qi – количество электричества, расходуемое на данный процесс.

Выход по току (Bi) часто выражают в процентах:

Bi(%) = 100Q/Qобщ.


^ Лабораторная работа №1


Исследование электролиза воды – как разделяется вода?


При электролизе происходит переход электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию окислительно-восстановительных процессов. Этот процесс может произойти только в среде электролита: солевых растворах, кислотах, щелочах или в расплавах солей. Проводимость чистой воды очень мала и поэтому её электролиз невозможен при использовании обычных лабораторных приборов. В работе используется электролизер, где в качестве электролита используется специальная ионопроводящая полимерная мембрана. Получаемый на катоде водород используется далее для питания топливного элемента. Реакции на электродах будут проходить с участием мелкодисперсных частиц благородных металлов (катализаторов), облегчающих прохождение реакций.


^ Цель работы

Разобраться в сути процесса электролиза воды.


задание

  1. Получить водород и кислород разложением воды в электролизере.

  2. Установить объемное соотношение выделенных на электродах газов.

  3. Провести химический анализ газов и сипользовать их в топливном элементе.

  • Ионы образуются, когда атомы отдают или присоединяют электроны.

  • Поток ионов при электролизе соответствует электрическому току.


Комплектующие, необходимые для проведения эксперимента:

  • Солнечный модуль

  • Электролизер

  • Топливный элемент

  • Измерительный модуль-нагрузка

  • 4 кабеля

  • 2 длинных газоподводящих шланга

  • 2 коротких газоподводящих шланга

  • 2 зажима на шланги

  • схема эксперимента



Дополнительные компоненты:

  • Лампа 100 – 150 Вт

  • Дистиллированная вода

  • 2 маленьких химических стакана

  • 2 деревянных зажима

  • горелка Бунзена


Указания по безопасности:

Во время экспериментов надевайте защитные очки и держите подальше источники возгорания! Солнечный модуль нагревается.


^ Методические указания


С помощью проведенного опыта на электролизере можно продемонстрировать разложение воды на 2 части водорода и 1 часть кислорода:

2H2O(l) → 2H2(г) + O2 (г)

В топливном элементе протекает обратная электролизу реакция, т.е. накопленные в результате электролиза газы снова превращаются в воду:

2H2(г) + O2(г) → 2H2O(ж)

ем самым подтверждается, что реакция обратима. При первой реакции (электролизе) электрическая энергия должна расходоваться, при второй реакции (в топливном элементе) электрическая энергия высвобождается. В общей сложности такой цикл связан с потерями. Преобразование энергии из одной формы в другую никогда не происходит со 100%-ным коэффициентом полезного действия. Но, тем не менее, топливный элемент в два раза эффективней двигателя внутреннего сгорания в автомобилях.




рис.

Порядок выполнения работы


1. Соберите схему согласно рис. Соблюдайте полярность на электролизере!

2. Проверьте, чтобы шланги подведения газа на электролизере и топливном элементе были надежно подключены.

Установите переключатель на измерительном модуле в положение «разомкнуто».

3. Проверьте, чтобы оба приемника газа электролизера были заполнены дистиллированной водой до отметки 0 мл. Установите с помощью освещенного солнечного модуля на электролизере постоянный ток в пределах 200 - 300 мA. Вы должны установить солнечный модуль в сторону лампы таким образом, чтобы можно было наблюдать в электролизере заметное выделение газа.

4. Пропустите через всю систему в течение 5 минут образовавшиеся газы. Установите переключатель измерительного модуля-потребителя на 3 минуты в положении 3 Ома. Измерьте с помощью амперметра ток. Установите переключатель модуля-потребителя в положение «разомкнуто».

5. Отключите солнечный модуль от электролизера. Закройте с помощью зажимов оба коротких шланга на выпускных отверстиях топливного элемента (см. рис 6).

6. Подключите солнечный модуль к электролизеру и накопите образующийся газ в электролизере. Отключите солнечный модуль от электролизера, когда количество водорода в электролизере достигнет отметки 10 мл. Одновременно определите объем произведенного кислорода.

7. Установите переключатель модуля-потребителя в положении 1 Ом. Потечет ток, топливный элемент потребляет накопленный водород.

8. Прервите электрическое соединение при достижении нулевой отметки на водородной стороне, установив при этом переключатель в положение «разомкнуто». Топливный элемент израсходовал весь водород (10 мл). Определите расход кислорода.

9. Снимите зажимы со шлангов топливного элемента.

10. Удалите длинные соединительные шланги между электролизером и топливным элементом, подключите короткие шланги к электролизеру и закройте их заглушками. Повторите п.6 и заполните резервуар водородом до отметки 10 мл.

11.Зажгите горелку Бунзена, причем она должна находиться на расстоянии не менее 1 метра от электролизера.

12. Держите маленький химический стакан открытой частью вниз, возьмите короткий шланг со стороны поступления водорода и откройте его. Опустите быстро и как можно глубже шланг в химический стакан. По окончании удалите шланг, возьмите деревянную палочку, зажженную предварительно от горелки Бунзена, и введите ее в стакан (лучше, если данный опыт проводят двое учащихся).

13. Оставьте шланг на электролизере со стороны поступления водорода открытым, а со стороны кислорода закрытым. Подайте ток на электролизер до тех пор, пока количество кислорода не достигнет отметки 10 мл.

14. Повторите п.12, но возьмите шланг со стороны поступления кислорода. Держите химический стакан вертикально и введите тлеющую (не горящую) деревянную палочку в стакан.





Рис


^ Таблица измерений



Разложение воды в

электролизере

Потребление в

топливном элементе


Объем водорода =



10см3 (=10 мл)


Водород = см3


Объем кислорода =



см3


Кислород = см3


Подведение итогов

  1. Определите действительные объемы газов

  2. Определите соотношение выделенных при электролизе газов

  3. Определите соотношение потребленных топливным элементом газов.

  4. Объясните, как вы установили, какой газ на каком электроде выделился.



^ Лабораторная работа №2


Исследование электролизера:

увеличивается ли ток, если увеличивать напряжение?


Электролиз происходит, когда через электролизер протекает постоянный ток. Величина тока зависит от поданного напряжения. Кривая изменения тока в зависимости от приложенного напряжения называется характеристикой электролизера.


^ Цель работы

Измерение напряжения и тока подключенного к источнику напряжения электролизера. Сравнение потенциала разложения с характеристикой омического сопротивления.


Задание

Исследовать зависимость тока от напряжения подключенного к источнику напряжения электролизера.


Комплектующие, необходимые для проведения экспериментов:

  • Электролизер

  • Солнечный элемент

  • Измерительный модуль-нагрузка

  • 5 кабелей

  • Схема эксперимента



Дополнительные компоненты:

  • Лампа 100 – 150 Вт

  • Дистиллированная вода


Указания по безопасности:


Во время экспериментов надевайте защитные очки и держите подальше источники возгорания! Солнечный модуль нагревается!


^ Методические указания



Из вольт-амперной характеристики видно, что только при определенном напряжении появляется заметный ток, который затем резко возрастает. Какова величина напряжения при котором в электролизере появляется ток?

При низком напряжении не возникает тока электролиза, т.е. не появляется ни водород на катоде, ни кислород на аноде (видно, что в цепи электролизера нет тока при напряжении в 1 В).

Возникающие при низком напряжении газы сначала абсорбируются электродом, при этом возникает гальваническая ячейка. Эта гальваническая ячейка имеет определенное напряжение (напряжение поляризации), которое ведет к появлению тока . Этот внутренний ток противодействует току электролиза. При увеличении внешнего напряжения абсорбируется большее количества газов.

В определенный момент давление газа на электродах достигает величины внешнего давления воздуха. На электродах начинается образование газовых пузырей.

Дальнейшее повышение внешнего напряжения ведет к резкому образованию газов с экспоненциальным возрастанием величины тока электролиза (см. характеристику).

Минимальное напряжение, при котором начинается разложение воды, называют напряжением разложения. Оно теоретически равно напряжению гальванической ячейки H2//H2O//O2 . При стандартных условиях оно равно 1.23 V.


1/2О2(г) + 2Н+ + 2e H2O(ж)


E0 = +1.23 V


Видно, что теоретически предсказанное и экспериментально полученное напряжения различаются. Разницу между теоретическим и экспериментальным напряжением называют перенапряжением.

Перенапряжение зависит от материала электродов, от состояния поверхности электродов, от типа и концентрации электролита, а также от плотности тока (силы тока на площадь) и температуры.

Перенапряжения всегда незначительны при реакциях на электродах, которые приводят к разделению металлов, и они особенно велики при разделении газов (H2 , О2 , Cl2).

На практике стараются добиться уменьшения перенапряжение. Самым важным при этом является выбор хорошего активного материала электродов и выбор электролита.

Электролизер с полимерной мембраной не содержит жидкого электролита. Функцию электролита берет на себя специальная протоно-проводящая мембрана (PЕМ – Proton Exchange Membranе). Она содержит серную кислоту с кислотностью 1 М. В кислотной среде в качестве электродов-катализаторов могут быть использованы только благородные металлы. Со стороны кислорода катализатор на электроде выполнен из специального рутений-индиевого сплава, со стороны водорода – платины. Оба катализатора нанесены прямо на мембрану в малых количествах. Ток отводится через электроды, изготовленные из высококачественной листовой стали.

Активность электродов при катализе является для процесса электролиза решающим фактором для минимизации рабочего напряжения и для повышения коэффициента полезного действия.




рис.


^ Порядок выполнения работы

  1. Соберите схему по рис.. Соблюдайте полярность! Наполните резервуар электролизера дистиллированной водой до отметки 0 мл.

Установите переключатель потребителя - измерительного бокса в положение короткое замыкание».

2. Изменяйте ток солнечного модуля путем изменения интенсивности света, для чего, например, вращайте солнечный модуль относительно лампы. Установите различные величины тока. Начните с величины около 10мА и увеличивайте величину тока до 350 мА (в зависимости от используемой лампы). При этом измеряйте напряжение на электролизере.

3. Определите минимум 8 значений величин ток-напряжение и занесите их в таблицу измерений.

Подведение итогов

  1. Начертите вольт-амперную характеристику электролизера (ток – по вертикальной оси).

  2. Объясните ход вольт-амперной характеристики.


Таблица измерений

Напряжение, В

Ток, мА




















^ Лабораторная работа №3.


Исследование топливного элемента –

производит ли топливный элемент

при увеличении напряжения больший ток?


Как изменяется ток от напряжения? Существует ли максимальное напряжение, которое вырабатывает топливный элемент?


^ Цель работы

Установить, что напряжение топливного элемента зависит от величины вырабатываемого тока. Сравнить полученную характеристику с характеристикой электролизера. Определить вольт-амперную характеристику топливного элемента и установитьт при каких условиях топливный элемент обладает максимальным напряжением.


Задание

  1. В зависимость от разных факторов установить зависимость тока от напряжения.

  2. Определить кривую мощности топливного элемента (мощность от величины тока).


Комплектующие, необходимые для проведения эксперимента:

  1. Солнечный модуль

  2. Электролизер

  3. Топливный элемент

  4. Измерительный модуль-нагрузка

  5. 4 кабеля

  6. 2 длинных газоподводящих шланга

  7. 2 коротких газоподводящих шланга

  8. 2 зажима на шланги

  9. Схема эксперимента



Дополнительные компоненты:

  1. Лампа 100 – 150 Вт

  2. Дистиллированная вода


Указания по безопасности:

Во время экспериментов надевайте защитные очки и держите подальше источники возгорания! Солнечный модуль нагревается!


^ Методические указания




Вольт-амперная характеристика топливного элемента


Чтобы понять характеристику топливного элемента, надо вспомнить характеристику электролизера (эксперимент 6). Процессы в топливном элементе противоположны электролизу. Для электролиза воды необходимо подать минимум 1.23V, чтобы разложение воды началось. Как правило, напряжение на практике превышает это значение (перенапряжение).

В топливном элементе, как источнике питания на этом же основании вырабатывается меньшее напряжение. Так же и здесь характеристику определяют материал электродов (катализатор), внутреннее сопротивление топливного элемента , температура и подведенное количество водорода и кислорода.

При очень низком потреблении тока или при его прекращении напряжение на топливном элементе составляет около 0.9 V. Это напряжение называют напряжением холостого хода. Эта величина в топливном элементе сильно зависит от количества и чистоты поданных газов. Чем больше тока отводится от топливной батареи, тем меньше будет напряжение. При увеличении напряжения на вольт-амперной характеристике наблюдается экспоненциальное увеличение тока.

Если нанести рабочую точку электромотора на P-I- диаграмму, то можно увидеть, что мотор работает не в оптимальном режиме, т.е. происходит не полное использование (потеря) водорода. В принципе топливный элемент мог бы давать большую мощность.

На практике пытаются использовать топливный элемент максимальном токе. Однако при высоком токе одновременно падает коэффициент полезного действия. Поэтому задача состоит в том, чтобы найти оптимальный режим эксплуатации топливного элемента (высокий коэффициент полезного действия, высокую мощность).


^ Продолжение эксперимента

В продолжение эксперимента можно снять кислородный шланг с топливного элемента и необходимый кислород забирать из окружающего воздуха.





Кривая мощности топливного элемента.


Водород поступает от электролизера. В результате, характеристики топливного элемента снижаются при поступлении меньшего количества кислорода (см. рис).





Характеристики топливного элемента при работе с кислородом от электролизера и кислородом воздуха.


Эксперимент показывает, что при малом перенапряжении (вблизи от напряжения холостого хода) ток увеличивается экспоненциально. На этом участке величину токов определяют каталитические процессы на электродах. При большом перенапряжении определяющее значение имеют подведение и концентрация газов. Изменение этих факторов может приводить к большим изменениям величины тока.




рис.


^ Порядок выполнения работы:


1. Соберите схему согласно рис.. Соблюдайте полярность на электролизере!

2. Проверьте, чтобы шланги подведения газа на электролизере и топливном элементе были надежно подключены.

Установите переключатель на модуле-потребителе в положение «разомкнуто».

3. Проверьте, чтобы оба приемника газа электролизера были заполнены дистиллированной водой до отметки 0 мл. Установите с помощью освещенного солнечного модуля на электролизере постоянный ток в диапазоне 250 - 300 мA. Направьте солнечный модуль в сторону лампы таким образом, чтобы можно было наблюдать заметное выделение газа в электролизере.

4. Пропустите через всю систему в течение 5 минут образовавшиеся газы. Установите переключатель модуля-потребителя на 3 минуты в положении 3 Ома. Измерьте амперметром ток. Установите переключатель модуля-потребителя в положение «разомкнуто».

5. Отключите на короткое время солнечный модуль от электролизера. Закройте с помощью зажимов оба коротких шланга на выпускных отверстиях топливного элемента (см. рис 9).





рис.


6. Подключите солнечный модуль к электролизеру и накопите образующийся газ в электролизере. Отключите солнечный модуль от электролизера, когда количество водорода в электролизере достигнет отметки 10 мл.

7. Разорвите цепь между солнечным элементом и электролизером. Подключите вольтметр измерительного модуля к топливному элементу (рис.10).

8. Измерьте характеристику топливного элемента, изменяя сопротивление на измерительном боксе. Начните с положения «разомкнуто» и переходите к меньшим сопротивлениям нагрузки. Для каждого положения переключателя нагрузки снимайте значения тока и напряжения. Перед снятием показаний подождите около 30 секунд. Полученные значения занесите в таблицу. Под конец измерьте величины тока и напряжения для положения переключателя «внешняя нагрузка» (электромотор).

9. По окончании измерений поставьте переключатель на измерительном модуле снова в положение «разомкнуто » и снимите зажим на топливном элементе.





рис.


Таблица измерений

Сопротивление R, Ом

Напряжение U, В

Ток I, мА





















Подведение итогов

1. Начертите вольт-амперную характеристику топливного элемента (напряжение – по вертикальной оси).

2. Объясните ход вольт-амперной характеристики.

3. Нанесите величины тока и напряжения для положения «внешняя нагрузка» (электромотор) на вольт-амперную характеристику.

4. Начертите характеристику мощности топливного элемента (мощность (Р) = напряжение( U) х ток ( I )).

5. Рассчитайте мощность лампы и мотора и нанесите эти величины на характеристику P от I.


^ Лабораторная работа №4


Исследование топливного элемента -

влияет ли количество потребления водорода

на величину тока?


Цель работы

Обосновать зависимость, что количество водорода, потребляемое топливным элементом, зависит от силы тока, вырабатываемого топливным элементом.

Убедиться, что потребление водорода топливным элементом пропорционально времени измерения при постоянной величине тока и пропорционально току при постоянной величине времени измерения.


Задание

  1. Выявить количественные соотношения между током, зарядом и временем. Мощность машины, в данном случае топливного элемента, зависит от скорости , с которой потребляется топливо.

  2. использовать полученные результаты для того, чтобы сопоставить объем израсходованного водорода с произведенным количеством заряда (в кулонах) и познакомиться при этом с такими понятиями, как количество вещества и постоянная Фарадея.


Комплектующие, необходимые для проведения эксперимента:

  • Солнечный модуль

  • Электролизер

  • Топливный элемент

  • Измерительный модуль-нагрузка

  • 4 кабеля

  • 2 длинных газоподводящих шланга

  • 2 коротких газоподводящих шланга

  • 2 зажима на шланги

  • Схема эксперимента


Дополнительные компоненты:

  • Лампа 100 – 150 Вт

  • Дистиллированная вода


Указания по безопасности:

Во время экспериментов надевайте защитные очки и держите подальше источники возгорания! Солнечный модуль нагревается.

^ Методические указания


Из графика 1 видно, что использованный объем водорода при постоянной величине тока пропорционален времени измерения.

V ~ t

Из графика 2 видно, что использованный объем водорода при постоянном времени пропорционален величине тока.

V ~ I

Так как V ~ t и V ~ I , то V ~ I t.

Из этого следует, что объем использованного топливным элементом водорода пропорционален протекающему количеству заряда.

^ 1-ый закон Фарадея относиться к электролизу вещества и гласит:

Количество вещества, возникающее при электролизе на аноде или катоде, прямо пропорционально количеству заряда, протекающему через ячейку электролизера.



график1. график 2.


Из этого эксперимента видно, что подобная взаимосвязь, только в обратном виде, существует и в топливных элементах:

количество водорода, которое расходует топливный элемент, пропорционально количеству заряда, протекающему через топливный элемент.




рис.

Порядок выполнения работы


1. Соберите схему согласно рис.11. Соблюдайте полярность на электролизере!

2. Проверьте, чтобы шланги подведения газа на электролизере и топливном элементе были надежно подключены.

Установите переключатель на модуле-потребителе в положении «разомкнуто».

3. Проверьте, чтобы оба приемника газа электролизера были заполнены дистиллированной водой до отметки 0-мл. Установите с помощью освещенного солнечного модуля на электролизере постоянный ток в диапазоне 200 - 300 мA. Направте солнечный модуль в сторону лампы так, чтобы можно было наблюдать заметное выделение газа в электролизере.

4.Пропустите через всю систему в течение 5 минут образовавшиеся газы. Установите переключатель модуля-потребителя на 3 минуты в положении 3 Ома. Измерьте ток амперметром. Поставьте переключатель модуля-потребителя в положение «разомкнуто».

5. Отсоедините солнечный модуль от электролизера. Закройте с помощью зажимов оба коротких шланга на выпускных отверстиях топливного элемента (см. рис. 9).

6. Соедините солнечный модуль с электролизером и соберите образующийся газ в электролизере. Отсоедините солнечный модуль от электролизера, когда количество водорода в электролизере достигнет отметки 10 мл.

7. Из-за наличия в системе шлангов и уплотнений всегда имеются определенные утечки газов, поэтому для корректности необходимо провести нулевое измерение. Измерьте через 5 минут потери водорода из резервуара для водорода без нагрузки (положение «разомкнуто») и определите потери водорода в системе (в мл в минуту).

8. Подключите солнечный элемент к электролизеру и заполните резервуар водородом до отметки 10 мл. При достижении этой отметки отключите солнечный элемент от электролизера. .

9. ^ Для определения 1-ой части 1-ого закона Фарадея установите с помощью переключателя на измерительном модуле постоянный ток через сопротивление величиной 3 Ома. Измерьте объем водорода, который используется топливным элементом из резервуара с водородом электролизера, в различные промежутки времени: от 60 до 240 сек. с интервалом в 60 сек. (табл. 1).

По завершению эксперимента установите переключатель снова в положение «разомкнуто».

10. Подключите солнечный элемент к электролизеру и заполните резервуар водородом до отметки 10 мл. При достижении этой отметки отключите солнечный элемент от электролизера.

11. Для определения 2-ой части 1-ого закона Фарадея установите с помощью переключателя на измерительном модуле последовательно различные токи путем изменения сопротивления в последовательности 10, 5, 3 и 1 Ом. Измерьте для каждого сопротивления объем водорода, который потребляет топливный элемент через каждые 120 секунд из резервуара с водородом электролизера (табл. 2). После каждого измерения устанавливайте переключатель в положение «разомкнуто» и наполняйте резервуар с водородом, как указано в п.8, до отметки 10 мл.

12. Установите после измерений переключатель в положение «разомкнуто» и удалите зажим на топливном элементе.

13. Скорректируйте измеренные объемы в соответствии с утечками.


Таблица: Топливный элемент без нагрузки – нулевое измерение

Потери водорода в резервуаре через 5 мин. = см3

Утечки в системе = см3/мин.


Табл. 1

R = Ом = const

I = мA = const




Время, сек.

Объем Н2, см3

V H2 (скорректированный), см3



















Табл.2

t = s = постоянное




Сопротивление, Ом

Ток, мА

Объем Н2, см3

Объем Н2, скорректир., см3



























^ Подведение итогов и оценка.

1.Представьте данные измерений из таблиц 1 и 2 (расход водорода в зависимости от времени и расход водорода в зависимости от величины тока) графически.

2.Исследуйте зависимости между объемом водорода и перенесенным зарядом (1-ый закон Фарадея).


^ Лабораторная работа №5.


Исследование метанольного топливного элемента –

получение вольт-амперной характеристики.


Цель работы

Проведение эксперимента с метанольным топливным элементом и определение вольт-амперной характеристики метанольного топливного элемента.


Задание

  1. Изучить зависимость тока от напряжения в топливном элементе

  2. Определить зависимость мощности метанольного топливного элемента от величины тока.

  3. Повторить эксперимент с 2%-ными (0,5 моль/дм3) и 1%-ными (0,25 моль/дм3) растворами метанола в воде и сравнить характеристики.

  4. Представить результаты измерений графически, описать характеристики метанольного топливного элемента и сравнить их с водородным топливным элементом.


Примечание: учащимся, вероятно, потребуется помощь при сборке и запуске лабораторного комплекса.


Комплектующие, необходимые для проведения эксперимента:


  • Метанольный топливный элемент

  • Пластиковая бутылочка с 1 М раствора метанола (1,0 моль дм3)

  • Пипетка

  • Измерительный модуль-нагрузка

  • 4 кабеля

  • Запорная пробка (зажим)

  • Схема эксперимента



Указания по технике безопасности:

Избегать попадания растворов метанола на кожу. Водные растворы метанола для топливного элемента готовятся предварительно.


^ Методические указания


При снятии характеристики могут наблюдаться различия в величинах тока и напряжения, что вполне нормально. Это зависит от исходного состояния метанольного топливного элемента (влажности, длительности подготовки к эксперименту, времени после наполнения метанолом).





рис. . Вольт-амперная характеристика метанольного топливного элемента.


Чтобы понять характеристику метанольного топливного элемента, надо знать, как работает батарейка (аккумулятор).

Аккумулятор состоит из двух электродов, помещенных в раствор электролита. Сначала аккумулятор необходимо зарядить, для чего через него пропускают постоянный электрический ток. В результате протекания тока электроды становятся химически различными; следовательно, различными делаются их потенциалы, так что при соединении электродов между собой между ними начинает течь электрический ток. Происходит разряд, т.е. аккумулятор становится источником электрического тока. В аккумуляторе или топливном элементе один электрод называют анодом. На нем происходит окисление, электроны уходят во внешнюю сеть. Анод, таким образом, является отрицательным полюсом. На катоде происходит восстановление электронов из внешней цепи. Катод является положительным полюсом в батарее или топливном элементе. (Замечание: в электролизере отрицательный электрод называют катодом, а положительный – анодом).




рис. . Метанольный топливный элемент.


Метанольный топливный элемент состоит из двух электродов, разделенных протонпроводящей полимерной мембраной, на поверхность которых нанесены благородные металлы, таких как платина и рутений. На этих металлах протекает химическая реакция (катализ), но сами они не подвергаются химическому воздействию.

На анод подается топливо, в данном случае метанол, на катод - кислород из воздуха.

При этом протекают следующие реакции.

На аноде:


CH3OH (ж) + H2O (ж) → CO2 (г) + 6H+ + 6e-


На катоде:


1.5 O2 (г) + 6H+ + 6e- → 3H2O( ж)


Общая реакция выглядит следующим образом:


CH3OH (ж) + 1.5 O2 (г) → CO2 (г) + 2H2O (ж)


Реакция окисления метанола на аноде связана с отдачей электронов. Эти электроны проходят через внешнюю электрическую цепь и используются на катоде для восстановления кислорода воздуха. Возникающие на аноде ионы водорода переходят через электролит (в нашем случае – через протонпроводящую полимерную мембрану) к катоду. На аноде как продукт окисления высвобождается СО2; на катоде, как продукт восстановления, вода.

В отличие от батареи топливный элемент не может быть разряжен. До тех пор, пока подается топливо, элемент вырабатывает ток.

В соответствии с электрохимическим рядом, метанольный топливный элемент теоретически обладает напряжением в 1,2 В. На практике рабочее напряжение в зависимости от величины тока имеет значение в диапазоне от 0,2 до 0,6 В. При этом величину тока определяет материал электродов (катализатор), внутреннее сопротивление, температура, а также концентрация метанола на аноде и кислорода воздуха на катоде.

При очень малом потреблении тока или его отсутствии напряжение топливного элемента составляет 0,5 – 0,6 В. Это напряжение называют напряжением холостого хода (разомкнутой цепи). Чем больше потребление тока, тем меньше будет напряжение.




рис. . Кривая мощности метанольного топливного элемента.


При уменьшении напряжения происходит экспоненциальное возрастание тока. Если нанести на кривую мощности рабочую точку электромотора, можно увидеть, что с этой нагрузкой он не использует полостью вырабатываемую мощность топливного элемента, т.е. метанольный элемент мог бы отдавать большую мощность.

На практике пытаются использовать топливный элемент при величине максимальной мощности. При высокой величине тока падает коэффициент полезного действия. Поэтому задача состоит в том, чтобы найти оптимальный режим эксплуатации топливного элемента, который бы обеспечивал высокий коэффициент полезного действия и максимальную мощность.


^ Рекомендации для работы с метанольным топливным элементом


Рабочее напряжение и ток метанольного топливного элемента зависят в большей мере от предварительной подготовки эксперимента, чем ток и напряжение водородного топливного элемента. Продолжительность работы и влажность мембраны перед проведением эксперимента, а также время после заполнения метанолом определяют электрические характеристики и вырабатываемую элементом мощность.

Следует иметь в виду, что протонпровоящая полимерная мембрана легко увлажняется (разбухает), когда элемент заполнен, и обезвоживается (сжимается) при хранении топливного элемента в сухом состоянии. Это обстоятельство может привести к колебаниям токов топливного элемента, а длительная обезвоживание мембраны приводит к увеличению времени выхода топливного элемента в рабочее состояние.

В рабочем объеме и в пористой структуре электродов даже после заполнения метанолом находится немного кислорода воздуха. Это может сразу после наполнения приводить к образованию смешанного потенциала. Вследствие этого напряжение разомкнутой цепи может не достигать своего максимального значения.

Поэтому в руководстве имеется указание на то, что рабочий объем надо заполнять таким образом, чтобы в нем не было воздушных пузырей.

Окисление метанола является сложной реакцией, в результате которой возникает СО2. Дополнительно при этом появляются следы промежуточных продуктов, таких как, например, муравьиная кислота. Эти вещества оказывают влияние на электрический потенциал на аноде и должны отводиться от анода. Из-за этих обстоятельств появляются задержки, которые влияют на величину тока и напряжения.

Кроме того, наличие этих трех эффектов приводит к тому, что ток и напряжение метанольного топливного элемента могут колебаться от опыта к опыту. И это является вполне нормальным!

Напряжение разомкнутой цепи метанольного элемента (без нагрузки) через 10 минут после заполнения метанолом должно достичь величины более 500 мВ. На основании выше изложенного иногда наблюдается замедление процесса выхода топливного элемента в рабочий режим.. Напряжение уменьшается и стабилизируется в районе 400 мВ.

В этом случае вы можете предпринять следующие меры, чтобы стабилизировать величину напряжения и, тем самым, данные измерений:

  1. Подождите несколько минут, прежде чем начать эксперимент. Обратите внимание на то, чтобы рабочий объем был полностью заполнен. Долейте еще немного раствора метанола. Встряхните несколько раз топливный элемент или слегка постучите им о рабочий стол. Как правило, после этого напряжение возрастает до величины более 500 мВ.

  2. Подключите элемент к измерительному модулю и установите переключатель на 2 минуты в положение 1 Ом. Подождите еще около 3 минут при положении переключателя «разомкнуто». После этого напряжение холостого хода должно превысить 500 мВ.






рис. Схема проведения эксперимента


Порядок выполнения работы


  1. Соберите схему согласно рис. . Поставьте переключатель на измерительном модуле в положение «разомкнуто».

  2. С помощью пипетки наберите из колбы раствор метанола, заполните им объем метанольного топливного элемента до верхнего края. Обратите внимание на то, чтобы в заполняемом объеме не было пузырей воздуха. Встряхните элемент несколько раз или постучите им слегка по рабочему столу, чтобы удалить оставшиеся пузыри. Закройте емкость после заполнения с помощью резиновых зажимов.

  3. Подождите 5 минут при положении переключателя на измерительном модуле «разомкнуто». Наблюдайте за возрастанием напряжения на вольтметре. Напряжение разомкнутой цепи должно по истечении этого времени составлять порядка около 500 мВ. Установите переключатель на 2 минуты в положение 3 Ом. Вы должны увидеть на амперметре ток около 40 мА. Подождите еще 3 минуты при положении «разомкнуто» прежде чем начать эксперимент. Спустя этот промежуток времени метанольный топливный элемент готов к работе.

  4. Измерьте характеристику топливного элемента путем изменения нагрузочного сопротивления. Начните с положения переключателя «разомкнуто» (холостой ход) и зафиксируйте напряжение разомкнутой цепи. Проведите дальнейшие измерения при различных сопротивлениях. Для каждого положения снимайте значения тока и напряжения. Перед снятием каждого показания подождите 60 секунд. Полученные значения занесите в таблицу. В заключение эксперимента измерьте величины тока и напряжения для положения нагрузки в режиме «электромотор».

  5. Установите после снятия характеристики переключатель в положение «разомкнуто». Если вы больше не хотите продолжать эксперимент, удалите зажимиз метанольной емкости, вылейте раствор и сполосните рабочий объем водой.


Таблица

Сопротивление R, Ом

Напряжение U, В

Ток I, мА

Мощность (U . I), мВт














Подведение итогов

1. Нарисуйте вольт-амперную характеристику метанольного топливного элемента (напряжение – по вертикальной оси).

2. Объясните ход вольт-амперной характеристики.

3. Нанесите величины тока и напряжения электромотора на вольт-амперную характеристику.

4. Нарисуйте характеристику диаграмму P – I (мощность = напряжение х ток).

5. Рассчитайте мощность лампы и мотора и нанесите эти величины на характеристику P – I.


Лабораторная работа №6.


Парниковый эффект – существует ли он?


^ Цель работы

Моделирование парникового эффекта и получение в результате эксперимента увеличения температуры.

Должны обнаружить, что лист черной бумаги, закрывающий стеклянный сосуд с водой, заметно увеличивает нагрев воды. Все другие параметры поддерживаются постоянными.


Задание

  1. Изучить смысл парникового эффекта

  2. Зафиксировать нагрев стеклянного сосуда прямым солнечным светом и с черной бумагой на задней стенке сосуда


Комплектующие, необходимые для проведения эксперимента:


  • Лампа 60 – 100 Вт

  • Стеклянный сосуд высотой около 15 см и диаметром 7,5 см

  • Черная бумага

  • Картон

  • Ножницы

  • Термометр –100 С – 500 С

  • Лист бумаги формата А 4 и карандаш



Методические указания


Одна часть излучения лампы отражается от стеклянного стакана, другая часть проходит через стенку сосуда и поглощается. Сосуд и содержащийся в нем воздух при этом нагреваются.

Наличие парникового эффекта зависит от того, имеется ли поверхность, которая поглощает видимое излучение. При этом происходит нагревание поверхности и как следствие возникает инфракрасное излучение, интенсивность которого определяется температурой. В отличие от видимого излучения свет в этом диапазоне не может выйти из стеклянного сосуда. ( Стекло его отражает, а не пропускает в отличие от видимого света). В этом состоит суть «парникового эффекта». Так как черная бумага поглощает большую часть излучения и вызывает появление теплового излучения, воздух в стеклянном сосуде, (в парнике) нагревается быстрее по сравнению с предыдущим экспериментом.


^ Примерный результат

(Лампа – 60 Вт, расстояние между лампой и стеклянным сосудом – 10 см)




рис.


Порядок выполнения работы


1. Отрежьте кусок картона размером закрывающим отверстие стеклянного сосуда.

2. Сделайте в середине картона маленькое отверстие соответствующее диаметру термометра. Вставьте термометр в сосуд через отверстие на глубину 5 см.

  1. Возьмите лист бумаги и нарисуйте две огтметки на расстоянии 10 – 15 см.

  2. Расположите источник света (лампу) таким образом, чтобы передний фронт лампы соответствовал одной из отметок. Лампа при этом должна находиться в 10 см от лежащего на поверхности стола листа бумаги и должна освещать стеклянный сосуд.

  3. Расположите центр стеклянного сосуда около другой метки. При правильной установке термометр будет находиться в центре сосуда.

  4. Измерьте начальную температуру в стеклянном сосуде, затем включите лампу и фиксируйте в течение 10 минут через каждую минуту значения температуры.



рис.


  1. В конце эксперимента откройте стеклянный сосуд, удалив картон с термометром. Оставьте сосуд и термометр остывать.

  2. Вырежьте кусок черной бумаги таким образом, чтобы, размещенный в стеклянном сосуде на его задней (относительно лампы) стенке он закрыл поверхность сосуда по всей высоте и по ширине на 1/3 диаметра сосуда. Разместите вырезанный кусок бумаги на задней стенке сосуда.

  3. Расположите лампу и сосуд, как было сделано ранее, и повторите эксперимент согласно пунктам 4 – 6. Убедитесь, что бумага хорошо освещена лампой.

  4. Представьте для обоих экспериментов график зависимости значений температуры от времени измерения.


Таблица: без черной бумаги в стеклянной сосуде

Время, мин

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Температура,

0С

































Таблица: С черной бумагой в стеклянном сосуде

Время, мин

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Температура,

0С
































Оценка результатов

  1. Прокомментируйте ход кривой.

  2. Обсудите различия между двумя кривыми.



Лабораторная работа №7.


Определение коэффициента полезного действия

системы электролизер – топливный элемент


^ Цель работы

Проведение количественных измерений, используя солнечный модуль, электролизер и топливный элемент и определение коэффициента полезного действия системы электролизер – топливный элемент.


Задание:

  1. Показать, что водород для топливных элементов может получаться с использованием солнечной энергии.

  2. определить зависимость коэффициента полезного действия системы электролизер - топливный элемент зависит от выходной мощности топливного элемента


Комплектующие, необходимые для проведения эксперимента:


  • Солнечный модуль

  • Электролизер

  • Топливный элемент

  • Измерительный модуль-нагрузка

  • 4 кабеля

  • 2 длинных газоподводящих шланга

  • 2 коротких газоподводящих шланга

  • Схема эксперимента


Дополнительные компоненты:

  • лампа 100 – 150 Вт

  • дистиллированная вода

  • амперметр

  • вольтметр

  • кабель


Указания по безопасности:

Во время экспериментов надевайте защитные очки и держите подальше источники возгорания!

Учтите, что солнечный модуль нагревается.


Методические указания


Подключенный к электролизеру солнечный модуль обычно дает 200 мА при напряжении 1,6 В. Это соответствует рабочей мощности системы 320 мВт. Так как система работает при постоянном потоке газа (если не учитывать потери из-за утечек и т.п.), топливный элемент может давать максимальный ток 200 мА. Величина вырабатываемого тока зависит от сопротивления нагрузки - чем меньше сопротивление, тем больше ток. При сопротивлении нагрузки 5 Ом ток составляет порядка 100 мА, а напряжение – 0,7 В. При этом выходная мощность получается равной 70 мВт. В этом случае коэффициент полезного действия составляет 22%. Меньшее сопротивление, например 3 Ома, обеспечивает более высокое отдачу мощности топливного элемента. Общий коэффициент полезного действия системы может достигать величины в пределах 30-40%.





рис.


Порядок выполнения работы


Топливный элемент должен быть обеспечен водородом и кислородом из электролизера.

1. Соберите схему согласно рис.14. Соблюдайте полярность на электролизере!

2. Проверьте, чтобы шланги подведения газа на электролизере и топливном элементе были надежно подключены. Установите переключатель на измерительном модуле в положение «разомкнуто».

3. Проверьте, чтобы оба приемника газа электролизера были заполнены дистиллированной водой до отметки 0-мл. Установите с помощью освещенного солнечного модуля на электролизере постоянный ток в диапазоне 200- 300 мA. Расположите солнечный модуль относительно лампы таким образом, чтобы при этом наблюдалось заметное выделение газов.

  1. Очистите систему от воздуха, пропустив через электролизер,

  2. топливный элемент и шланги в течение 5 минут образовавшиеся газы. Установите переключатель измерительного модуля на 3 минуты в положении 3 Ома. Измерьте ток амперметром. Установите переключатель измерительного модуля в положение «разомкнуто».

  3. Определите ток и напряжение для различных значений сопротивлений и рассчитайте выходную мощность топливного элемента. В конце эксперимента измерьте ток и напряжение работающего электромотора и рассчитайте его мощность.

6. Измерьте с помощью дополнительных измерительных приборов значения рабочего тока и рабочего напряжения солнечного модуля и рассчитайте мощность для определенного значения тока солнечного элемента.


Таблица измерений


Рабочее напряжение, В =

^ Рабочий ток ток, мА =


Сопротивление нагрузки R, Ом

Рабочее напряжение U, В

Рабочий ток I, мА











^ Подведение итогов

Рассчитайте коэффициент полезного действия системы электролизер - топливный элемент для различных величин сопротивлений нагрузки на топливном элементе и определите максимальное значение коэффициента полезного действия.


Заключение

Представьте коэффициент полезного действия системы в зависимости от рабочего тока топливного элемента.


^ Лабораторная работа №8.


Водород в качестве источника энергии (топлива).

Возможность аккумулирования водорода.


Цель работы

Показать, что водород может накапливаться и служить источником энергии при его использовании в качестве топлива в топливном элементе.

Убедиться, что энергия может накапливаться в виде топлива и использоваться по мере необходимости


Задание

  1. Доказать, что энергия может вырабатываться как непосредственно при переходе из одной формы в другую, так и накапливаться в виде топлива и использоваться по мере необходимости.

  2. Объяснить, насколько измерения соответствуют теоретическим предпосылкам.

  3. Представить свои измерения и использовать их для объяснения результатов с научной точки зрения.


Комплектующие, необходимые для проведения эксперимента:


  • солнечный модуль

  • электролизер

  • топливный элемент

  • измерительный модуль-нагрузка

  • 4 кабеля

  • 2 длинных газоподводящих шланга

  • 2 коротких газоподводящих шланга

  • 2 зажима для шлангов

  • секундомер

  • схема эксперимента


Дополнительные компоненты:


  • лампа 100-150 Ватт

  • дистиллированная вода

  • амперметр

  • вольтметр

  • кабель



Безопасность:

Во время эксперимента наденьте защитные очки и держитесь на расстоянии от источников возгорания. Солнечный элемент нагревается.


^ Методические указания


Солнечный элемент дает напряжение примерно 320 мВ при токе 200 мА. В случае работы в проточном режиме (смотрите работу № 7) максимальный ток, выдаваемый топливным элементом, также составляет 200 мА. Когда используется накопленный водород, значения тока достигают 500 мА и более. Это делает очевидным ценность топлива, как накопителя химической энергии. Энергия может выделяться из топлива с большей скоростью, чем это возможно при прямом превращении. Накопленная энергия может быть использована вне зависимости от места ее производства, при возникшей необходимости ее потребления в любом месте и в любое время. Количество водорода, накопленное в ходе данного эксперимента (10 мл), может быть преобразовано в полезную энергию для удовлетворения возникшей потребности в ней.

Данный эксперимент может служить основой дискуссии о необходимости накопления энергии в сфере транспорта, промышленности и при обмене веществ у живых организмов.





рис.

^ Порядок выполнения работы


Соберите установку в соответствии с рис. . Следуйте при этом рекомендациям занятия 7. Составьте таблицу измерений и определите значения максимального тока и максимальной эффективной мощности топливного элемента при постоянной подаче водорода и кислорода от электролизера. Проведите измерение рабочего (выходного) напряжение и рабочего (выходного) тока на солнечном элементе. При этом следуйте предложенным инструкциям:

  1. Перекройте выходной шланг топливного элемента с помощью зажима и установите выключатель измерительного модуля в положение « разомкнуто». При этом газовые потоки будут направлены через топливный элемент. Накапливайте газ до тех пор, пока значение по водороду не составит 10 мл.

  2. Отсоедините солнечный элемент от электролизера и используйте накопленный водород для приведения в действие топливного элемента.

  3. Установите сопротивление в 1 Ом и измерьте ток и напряжение топливного элемента. Проведите измерение времени в течение которого расходуется накопленный водород.

  4. Снова наполните накопитель газа в электролизере и повторите измерения при сопротивлении в 3 Ом.






рис.


Обработка результатов


  1. Рассчитайте мощность, которую отдает солнечный элемент электролизеру и оцените мощность топливного элемента. Определите максимальный возможный ток и максимально достижимую эффективную мощность топливного элемента.

  2. Объясните, какое преимущество имеет работа топливного элемента в режиме накопление водорода по сравнению с работой в проточном режиме протекания (см. занятие 7).






Скачать 444,53 Kb.
оставить комментарий
Дата27.09.2011
Размер444,53 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх