Дослідження паливного елемента

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Дослідити процес акумуляції електроенергії шляхом електролізу води.
  2. Визначити ККД паливного елемента.

Обладнання:

комплект PHYWE «Відновлювані джерела енергії», джерело живлення постійного струму лабораторне, дистильована вода, датчик струму, датчик напруги, аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) Einstein LabMate+, з’єднувальні кабелі, ПК.

Рис. 1. Обладнання для дослідження паливного елемента

Теоретична частина

Паливним елементом називається електрохімічний генератор, який забезпечує пряме перетворення хімічної енергії на електричну, оминаючи процес згоряння.

У паливних елементах відбувається перетворення енергії окисно-відновної реакції на електричну, при цьому процеси окиснення та відновлення просторово розділені електролітом. Електрод та електроліт не беруть участі в реакції, але в реальних конструкціях із часом забруднюються домішками палива. Електрохімічне горіння може відбуватися за невисоких температур і практично без втрат.

Паливні елементи можуть використовуватися в системах генерації та акумулювання електроенергії.

У системах генерації електроенергії паливні елементи можуть перетворювати хімічну енергію органічних палив зі значно вищім ККД, ніж традиційні системи, оскільки окиснення палива відбувається без згоряння.

Для акумулювання електроенергії здійснюють процес електролізу води. Отримані водень та кисень зберігають у спеціальних резервуарах та за потреби подають їх до паливного елемента для отримання електроенергії.

У цій лабораторній роботі пропонується дослідити такий процес акумуляції та визначити ККД перетворювальної установки.

Установка складається з електролізеру, накопичувальних резервуарів та водневого паливного елемента (рис. 2).

Рис. 2. Установка для акумулювання електроенергії

Для визначення її ККД необхідно певну кількість води шляхом електролізу розкласти на водень та кисень, визначивши при цьому кількість витраченої електроенергії Е1; подати отримані водень та кисень до паливного елемента, визначивши кількість отриманої електроенергії Е2, та визначити ККД за формулою:

.  (1)

Хід роботи

Підготовка обладнання до роботи 

  1. З’єднайте електролізер, накопичувальні резервуари та паливний елемент за допомогою з’єднувальних трубок, як показано на рис. 2.
  2. Зберіть схему живлення електролізера та схему навантаження паливного елемента, керуючись рисунком 1.
  3. Під’єднайте до схеми живлення електролізера джерело живлення та датчики напруги і струму.
  4. Заповніть обидва резервуари дистильованою водою до нижньої відмітки у їхніх верхніх частинах (рис. 2). При цьому пробки паливного елемента мають бути закритими.
  5. Відкрийте пробки паливного елемента для виходу повітря з системи. При цьому вода має стекти до нижніх частин резервуарів.
  6. Закрийте пробки.
  7. Увімкніть джерело живлення та виставте напругу 2 В без обмеження струму. Слідкуйте за накопиченням газів у резервуарах та за рівнем води у їхніх нижніх частинах. Водень виділяється вдвічі швидше.
  8. Коли об’єм водню буде 15–20 см3, виставте напругу на джерелі живлення 1,8 В, а струм обмежте до 0,2 А та вимкніть джерело живлення.
  9. Відкрийте пробки паливного елемента. При цьому з системи видаляються залишки повітря та вологи.
  10. Закрийте пробки. Обладнання готове до роботи.

Проведення експерименту 

  1. Підключіть датчики напруги та струму до АЦП Einstein LabMate+, а АЦП з’єднайте з USB входом ПК та дочекайтеся моменту, коли світлодіод на АЦП змінить колір з червоного на жовтий або зелений.
  2. Натисніть кнопку на АЦП так, щоб світлодіод почав блимати.
  3. Запустіть програму MiLAB, обравши іконку .
  4. Оберіть внизу вікна «Повне налаштування».
  5. Оберіть дискретизацію «Авто», встановіть «Частоту замірів» – кожну секунду, «Кількість замірів» – 5000.
  6. Оберіть «Мінімальні налаштування».
  7. Натисніть кнопку «Старт»  і увімкніть джерело живлення.
  8. Зачекайте 20–30 с та вимкніть джерело живлення.
  9. Підключіть датчики напруги та струму до схеми навантаження паливного елемента.
  10. Натисніть кнопку «Старт»  і увімкніть навантаження. Вал електродвигуна має розпочати обертатися.
  11. Дочекайтеся, доки електродвигун припинить обертання, та відкрийте пробки паливного елемента.
  12. Дочекайтеся моменту, коли напруга та струм паливного елемента дорівнюватимуть нулю.
  13. Зупиніть реєстрацію даних, натиснувши кнопку «Стоп».
  14. Після завершення роботи від’єднайте електролізер та паливний елемент у зборі з накопичувальними резервуарами від установки та злийте з них воду, не розбираючи.

Розберіть установку та витрусіть залишки води з обладнання.

Аналіз даних

  1. Зайдіть у меню «Функції» та оберіть функцію «Добуток».
  2. Оберіть множники: «Набір даних 2: Напруга» та «Набір даних 2: Сила струму».
  3. Натисніть «Ок». Має з’явитися графік залежності потужності від часу.
  4. Зайдіть у меню «Функції» та оберіть функцію «Інтеграл».
  5. Оберіть підінтегральну функцію: «Набір даних 2: Добуток (Напруга*Сила струму)».
  6. Натисніть «Ок». Має з’явитися графік залежності отриманої електроенергії від часу.
  7. Помістіть «Перший курсор»  у самому кінці графіка залежності отриманої електроенергії від часу, зчитайте значення отриманої електроенергії та занесіть його до таблиці результатів. Ви отримаєте значення електроенергії у Дж, яку виробив паливний елемент.
  8. Зайдіть у меню «Вид» та натисніть кнопку «Графік» . Має з’явитися нове вікно графіка.
  9. За допомогою курсору перенесіть набір даних першого експерименту (зі списку наборів даних у нижньому лівому куті) до нового вікна. У новому вікні мають з’явитися графіки залежності напруги та струму першого експерименту, під час якого відбувався електроліз.
  10. Повторіть кроки за пп. 1–7 для першого набору даних. Ви отримаєте значення електроенергії, яка була витрачена на електроліз води.
  11. За формулою (1) розрахуйте ККД паливного елемента.

Таблиця результатів 

Е2, Дж Е1, Дж η, %