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 СО_2; 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.