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
В зависимость от разных факторов установить зависимость тока от напряжения.
Определить кривую мощности топливного элемента (мощность от величины тока).
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
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.