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