Θέματα Διδακτικής

 

 

Ενέργεια και ενεργειακοί μετατροπείς

Αντιστρεπτές Πειραματικές Διαδικασίες

 

 

Γιατί η συμμετρία της Φύσης θα πρέπει να περάσει και στη διδακτική

 

Μια πρόταση για τη διδακτική αξιοποίηση των Fuel Cell

 

 

 

 

Ζησιμόπουλος Γιώργος  Φυσικός-MSc


Μήπως διδάσκω σήμερα αντικείμενα του χθες, με μεθόδους του προχθές;

 

Είναι σίγουρο ότι τα μαθητικά τα χρόνια, δε ξεχνιόνται με τίποτα! Δυστυχώς όμως δε ξεχνιόνται και κάποιες χαρακτηριστικές στιγμές  από τον εσωτερικό κόσμο της κλειστής σε σχέση με το περιβάλλον, μαθητικής τάξης. Εκεί γίνεται ένα παιχνίδι. Εκεί μέσα κερζίζονται αλλά και ...χάνονται πολλά.

Δεν ξεχνιόνται οι τρόποι διδασκαλίας, το κοινώς αποκαλούμενο μάθημα, ή παράδοση! Και επειδή δεν ξεχνιόνται είμαστε όλοι εμείς οι εκπαιδευτικοί εκτεθειμένοι σε συγκρίσεις. Σε συγκρίσεις του χτες με το σήμερα, των μεθόδων του χτες και του σήμερα, του περιεχομένου σπουδών του χτες και του σήμερα, του εκπαιδευτικού υλικού του χθες με αυτό που υπάρχει σήμερα. Τι θα μπορούσαμε να είχαμε κάνει με το υλικό που υπάρχει σήμερα, αν….., πόσους μαθητές θα είχαμε πείσει και θα είχαμε κερδίσει, αν ….., πόσο θα ήθελες να έχεις παρέμβει ώστε να είχε επιτέλους εκλείψει ο ακλόνητος Μεταξικός θεσμός του ενός και μοναδικού βιβλίου……

Μετά από αυτές τις συγκρίσεις μάλλον απελπίζεσαι, μπορεί όμως αν το καλοσκεφτείς να αλλάξεις στάση και να κερδίσεις το χαμένο παιχνίδι.  Να πάρεις που λένε το παιχνίδι στην πλάτη σου, φίλε και συνάδελφε εκπαιδευτικέ και να αλλάξεις το μικρόκοσμό σου, πρώτα σώζοντας τον εαυτό σου αλλά και ύστερα τους μαθητές σου.

Δεν είναι δυνατό η Φυσικές Επιστήμες να εξελίσσονται ραγδαία σε γνωστικά αντικείμενα τροφοδοτώντας την τεχνολογία κα εμείς να είμαστε αμέτοχοι. Δεν είναι δυνατό να απαιτούμε από τους μαθητές μας να αλληλεπιδράσουν, παρακολουθήσουν το μάθημα λέγαμε παλιότερα, χωρίς να δίνουμε εμείς οι ίδιοι το παράδειγμα συμμετέχοντας σε ότι ανακοινώνεται και συμβαίνει σήμερα.

Εξάλλου γνωρίζουμε καλά ότι κάτι διατηρείται ζωντανό, μεταβάλλεται και εξελίσσεται, μόνο όταν αλληλεπιδρά. Σε αντίθετη περίπτωση πεθαίνει.

Με αυτές τις σκέψεις καταθέτουμε την δική μας άποψη στο δύσκολο γνωστικό, και όχι μόνο, αντικείμενο ΕΝΕΡΓΕΙΑ. Η πρότασή μας έχει καθαρά πειραματικό χαρακτήρα και εισάγει στην εκπαιδευτική πράξη ένα σύγχρονο τέχνημα , την κυψέλη καύσης υδρογόνου.

Η πρόταση υλοποιείται με τρεις διαθεματικές πειραματικές δραστηριότητες. Κάθε δραστηριότητα συγκροτείται από τρία τμήματα.

1.      Οδηγό Καθηγητή

2.      Οδηγό Μαθητή

3.      Ενδεικτικές μετρήσεις και συμπεράσματα.

Σκοπός του πειραματικού πακέτου, δεν είναι μόνο η οργανωμένη επικοδομητική προσέγγιση της έννοιας ΕΝΕΡΓΕΙΑ, αλλά η διανομή στους μαθητές του εκπαιδευτικού θησαυρού και της κουλτούρας των Φυσικών Επιστημών, απαραίτητων εφοδίων κάθε νοήμονα αυριανού πολίτη.

Τα θέματα και η εν λόγω προτάσεις είναι από τα πλέον σύγχρονα και άπτονται της προστασίας του περιβάλλοντος. Έτσι εκτός των άλλων επιδιώκουμε την καλλιέργεια θετικής στάσης από τους μαθητές προς το περιβάλλον τους.

Τέλος είναι σκόπιμο να ασχοληθούμε και με σύγχρονα θέματα.

 

 

 

 

 

Τι είναι και πως λειτουργεί μια κυψέλιδα καυσίμου  υδρογονου (Fuel  Cell)

 

Σύντομη ιστορική εισαγωγή

 

Όπως είναι γνωστό γύρω στο 1794 , ο Ιταλός φυσικός Alessandro Volta, (1745-1827), πειραματιζόμενος στην «χημική» παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, παρατήρησε ότι μεταξύ μιας ράβδου από ψευδάργυρο και μιας ράβδου από χαλκό που είναι βυθισμένες σε διάλυμα θειικού οξέος δημιουργείται ηλεκτρική τάση περίπου 1 volt.  Προς τιμήν του, η μονάδα ηλεκτρικής τάσης μετριέται σε μονάδες volt.

Μετά από πενήντα περίπου χρόνια, λίγο πριν από το 1839, ο Άγγλος φυσικός Sir William Robert Grove (1811-1896) έκανε επίδειξη του βασικού τρόπου λειτουργίας και δικαιολογημένα θεωρείται ότι είναι αυτός που ουσιαστικά ανακάλυψε το Fuel Cell.

Στη δική του πειραματική διάταξη (φαίνεται στο σχέδιο που ακολουθεί), μια «αλυσίδα στοιχείων» τα οποία αποτελούνται από ηλεκτρόδια πλατίνας σε θειικό οξύ που περιέχουν οξυγόνο και υδρογόνο, παράγει ηλεκτρική τάση περίπου 1 volt. H λειτουργία της διάταξης αυτής είναι αναστρέψιμη, δηλαδή η εφαρμογή εξωτερικής ηλεκτρικής τάσης γεμίζει τα στοιχεία με υδρογόνο και οξυγόνο, ενώ τροφοδοτώντας ένα λαμπτήρα με ηλεκτρικό ρεύμα από τη συστοιχία, οι ποσότητες των αερίων μειώνονται.

 

 

 

α)  Κυψέλη καυσίμου (1839)

 

b)  «Αλυσίδα στοιχείων» (1842) του William Grove

 

 

 

 

 

 

Όμως λόγω τεχνικών δυσκολιών, και συγκεκριμένα λόγω έλλειψης σταθερότητας των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν τότε, όπως επίσης και λόγω της εφεύρεσης της γεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος, οι κυψέλες καυσίμου ξεχάστηκαν. Ακόμα και το γεγονός ότι ο Wilhelm Oswald (1853-1932) τις παρουσίασε να έχουν πολύ υψηλότερη αποτελεσματικότητα από τις θερμικές μηχανές, δεν κατάφερε τίποτα. Μόνο λόγω της χρήσης τους στα διαστημόπλοια και στα υποβρύχια, οι κυψέλες καυσίμου ανακαλύφθηκαν  ξανά.

 

Σήμερα λόγω του μεγάλου συντελεστή απόδοσης κατά τις ενεργειακές μετατροπές, οι κυψελίδες καυσίμου υδρογόνου έχουν γίνει ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες στο γενικότερο πλαίσιο της προστασίας του περιβάλλοντος.

 

Η κυψελίδα  καυσίμου υδρογόνου  (Fuel Cell) σήμερα

 

Σήμερα αν και έχει αλλάξει κατά πολύ η τεχνολογία κατασκευής της κυψελίδας καυσίμου, η αρχή λειτουργίας παραμένει η ίδια. Η διάκριση γίνεται ανάλογα με τα αέρια που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου και κυρίως τον ηλεκτρολύτη.

Σε ένα συνηθισμένο τύπο κυψελίδας χρησιμοποιείται μεμβράνη πολυμερούς υλικού ως ηλεκτρολύτης.  Ο τύπος αυτός συνοπτικά αναφέρεται ως PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Δηλαδή κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου, μεμβράνης επιλεκτικής αγωγής πρωτονίων.

Η συντομογραφία PEM αναφέρεται στη μεμβράνη η οποία διαχωρίζει την πλευρά του οξυγόνου από την πλευρά του υδρογόνου. Τα αρχικά PEM προσδιορίζουν τη μεμβράνη επιλεκτικής αγωγής πρωτονίων που είναι απλά ένα λεπτό φύλλο του πολυμερούς Nafion.  Η συγκεκριμένη κυψελίδα καυσίμου μπορεί να λειτουργήσει σε δυο κατευθύνσεις: σαν στοιχείο μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική και σαν στοιχείο μετατροπής χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική.  Με άλλα λόγια η λειτουργία της είναι αναστρέψιμη.

 

 

Εσωτερική δομή PEMFC

1.      Gasket: Μεμβράνη στεγανοποίησης (τσιμούχα)

2.      Electrode:  Ηλεκτρόδιο

3.      PEM : Μεμβράνη επιλεκτικής αγωγής πρωτονίων

 

 

 

 

Τα ηλεκτρόδια έχουν πολλά και διαφορετικά ονόματα, αφού πολύ διαφορετικά πράγματα συμβαίνουν επάνω σ’ αυτά : το ηλεκτρόδιο στην πλευρά του υδρογόνου ονομάζεται άνοδος και το ηλεκτρόδιο στην πλευρά του οξυγόνου ονομάζεται κάθοδος. Στην άνοδο, ηλεκτρικά ουδέτερα μόρια υδρογόνου (Η2) που είναι αποθηκευμένα στη δεξαμενή υδρογόνου, οξειδώνονται με απόσπαση ηλεκτρονίων, σε ιόντα υδρογόνου (Η+). Τα θετικά ιόντα υδρογόνου διαχέονται μέσα από τη μεμβράνη του πολυμερούς προς την αρνητικά φορτισμένη κάθοδο. Η μεμβράνη έχει τέτοιες ιδιότητες ώστε τα ιόντα υδρογόνου, τα οποία είναι γνωστά επίσης και σαν πρωτόνια, να ταιριάζουν ακριβώς μέσα στους πόρους της, όχι όμως και τα ιόντα οξυγόνου που είναι μεγαλύτερα. (γι’ αυτό και το όνομα:  μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων). Στο σχέδιο που ακολουθεί μπορούμε να διακρίνουμε την αρχή λειτουργίας της μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων και των φαινομένων που συμβαίνουν σε κάθε πλευρά της.

 

 

 

Λειτουργική απεικόνιση της ΜΕΒ

 

1.      Anode:  Ηλεκτρόδιο ανόδου (πλευρά Υδρογόνου)

2.      Cathode: Ηλεκτρόδιο καθόδου (πλευρά οξυγόνου)

3.      PEM: Μεμβράνη επιλεκτικής αγωγής πρωτονίων

 

Στην κάθοδο, τα ιόντα του υδρογόνου αντιδρούν με το οξυγόνο που υπάρχει και με τα ηλεκτρόνια που παρέχει το ηλεκτρόδιο της καθόδου. Το συνολικό αποτέλεσμα είναι  η δημιουργία νερού. Κατά μια έννοια, τα ιόντα υδρογόνου και οξυγόνου ξαναενώνονται και δημιουργούν μόρια νερού.

Όπως φαίνεται με την επανασύνδεση των ιόντων υδρογόνου και οξυγόνου, απελευθερώνεται ενέργεια, ενώ απαιτείται ενέργεια για τη διάσπαση του νερού κατά την ηλεκτρόλυση.

Με αυτό τον τρόπο, δημιουργείται ηλεκτρική τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων της κυψέλης. Εάν συνδέσετε ένα φορτίο (ενεργειακό μετατροπέα) στα ηλεκτρόδια της κυψελίδας καυσίμου υδρογόνου, π.χ. ένα ηλεκτρικό κινητήρα, ηλεκτρόνια ρέουν από την  άνοδο στην κάθοδο, με άλλα λόγια υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα και ο κινητήρας λειτουργεί.

 

Επειδή η μετατροπή του υδρογόνου και του οξυγόνου πραγματοποιείται καταλυτικά, τα ηλεκτρόδια  δε μεταβάλλονται. Η καύση λέγεται «ψυχρή» αφού δεν εμπλέκονται φλόγες. Ωστόσο, κατά τη διαδικασία εκλύεται και θερμότητα. Ίσως μπορείτε να αισθανθείτε την κυψέλη καυσίμου να ζεσταίνεται.

 

Οι χημικές αντιδράσεις που γίνονται κατά τη διάρκεια του φαινομένου είναι:

 

Άνοδος:                                 2 Η2 → 4 Η+ + 4 e-                 (οξείδωση)

 

Κάθοδος:                               Ο2 + 4 Η+ +4 e- → 2 H2O     (αναγωγή)

 

Συνολική αντίδραση:          2 Η2 + Ο2 → 2 H2O

 

Η παραγωγή νερού στην κάθοδο (πλευρά του οξυγόνου) μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί.

Δώστε προσοχή όταν η κυψελίδα καυσίμου παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Στην περίπτωση που το ρεύμα έχει μέγιστη τιμή π.χ. ρεύμα βραχυκύκλωσης, το νερό, ξαναδημιουργείται πολύ γρήγορα  από τα αέρια οξυγόνο και υδρογόνο και εμφανίζεται ένα λεπτό φιλμ νερού μέσα στην κυψελίδα και συγκεκριμένα στην πλευρά του οξυγόνου.

 

Οι διάφοροι τύποι Fuel Cell

 

Εκτός από τον τύπο της κυψελίδας καυσίμου που περιγράψαμε, υπάρχουν και άλλοι. Διαφέρουν ως προς τους ηλεκτρολύτες και τα αέρια που χρησιμοποιούν και έχουν αποτελέσματα σε διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας.

 

Στα Fuel Cell χαμηλής θερμοκρασίας συμπεριλαμβάνονται: τα αλκαλικά Fuel Cell (AFC), τα PEM (Proton Exchange Membrane) Fuel Cell (PEMFC), το άμεσο Fuel Cell μεθανόλης (DMFC) και το Fuel Cell φωσφορικού οξέος (PAFC).  Όλα λειτουργούν με υδρογόνο το οποίο δημιουργείται μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού ή από μετασχηματισμό του φυσικού αερίου, του βιοαερίου (μεθάνιο) ή της μεθανόλης.

Στα Fuel Cell υψηλής θερμοκρασίας συμπεριλαμβάνονται: το Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) και το Fuel Cell στερεού οξειδίου (SOFC)  τα οποία είναι επίσης  κατάλληλα για συνεχή λειτουργία με αέριο που παράγεται από το κάρβουνο (άνθρακα). Μια επισκόπηση των διαφόρων τύπων Fuel Cell παρουσιάζεται στον πιο κάτω πίνακα:

 

 

 

 

 

ΟΔΗΓΟΣ  ΚΑΘΗΓΗΤΗ

Πειραματική δραστηριότητα           1

 

Η διασπαση του απεσταγμενου νερου με την κυψελιδα καυσιμου υδρογονου

 

Πειραματικός προσδιορισμός του ρυθμού παραγωγής αερίων

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Εικόνα 1.   Πειραματική διάταξη ηλεκτρόλυσης

Σκοπός

Η εξοικείωση, η ανάδειξη και η αποδοχή από τους μαθητές της επιστημονικής μεθοδολογίας ως προϊόν παιδείας και απαραίτητο εφόδιο για τη σύγχρονη  κοινωνία.

Η δημιουργία ενός σύγχρονου – ελκυστικού εκπαιδευτικού περιβάλλοντος που θα βοηθήσει τους μαθητές να αναθεωρήσουν τις απόψεις τους για το «απεχθές» γνωστό σχολικό περιβάλλον,  ώστε να  εκδηλώσουν ενδογενές ενδιαφέρον για τις φυσικές επιστήμες.

 

Χρήσιμες οδηγίες

1.    Συναρμολογήσατε τη διάταξη όπως φαίνεται στην εικόνα 1. Ελέγξτε σχολαστικά την πολικότητα. Πρέπει ο θετικός ακροδέκτης του φωτοβολταϊκού στοιχείου να συνδέεται με το θετικό ακροδέκτη του ηλεκτροχημικού στοιχείου (electrolyser).

2.    ΠΡΟΣΟΧΗ: Η κυψελίδα πρέπει να είναι γεμάτη με απεσταγμένο νερό χωρίς φυσαλίδες. Επίσης τα δοχεία συλλογής των αερίων πρέπει να έχουν γεμίσει με νερό και να βρίσκονται βυθισμένα μέσα στο κοινό δοχείο. Η στάθμη του νερού στο δοχείο να συμπίπτει τουλάχιστον στην ένδειξη 0 ml.

3.    Τοποθετήστε το λαμπτήρα σε τέτοια θέση ως προς το φωτοβολταϊκό ώστε  η κυψελίδα να διαρρέετε από ρεύμα (ένδειξη αμπερόμετρου) στην περιοχή 0,1 Α έως 0,2 Α, περιμένετε για λίγο και μόλις αρχίσει η συλλογή αερίων ξεκινήστε τη χρονομέτρηση.

4.    Σημειώστε τις ενδείξεις του αμπερόμετρου και του βολτόμετρου.

 

Πίνακας μετρήσεων

Τάση / V

Ένταση / Α

 

 

5.    Προτιμήστε τη χρονομέτρηση προκαθορισμένων όγκων υδρογόνου και οξυγόνου (αξιοποίηση της κλίμακας των δοχείων συλλογής αερίων) και σημειώστε τις τιμές σε πίνακα μετρήσεων.

Πίνακας μετρήσεων

α/α

Χρόνος / min

Όγκος οξυγόνου / ml

Όγκος υδρογόνου / ml

1

0

0

0

2

 

 

 

Οκτώ με δέκα μετρήσεις είναι αρκετές.

 

Απαραίτητες πράξεις

1.    Απεικονίστε στο ίδιο διάγραμμα τη σχέση όγκου – χρόνου για το οξυγόνο και το υδρογόνο.

2.    «Αναγνώσατε» τις πληροφορίες που προκύπτουν από το διάγραμμα.

3.    Υπολογίστε το ρυθμό παραγωγής οξυγόνου, υδρογόνου και διάσπασης νερού.

4.    Συγκρίνατε τους ρυθμούς παραγωγής αερίων.

 

Γνωστικά αντικείμενα

·      Για να γίνει ηλεκτρολυτική διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο απαιτείται ενέργεια, εφόσον το χημικό φαινόμενο δεν είναι αυθόρμητο.

·    Η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε χημική με ένα πολύ μεγάλο συντελεστή απόδοσης

 

Ερμηνεία

Για να γίνει ηλεκτρολυτική διάσπαση του νερού, ηλεκτρική ενέργεια από το φωτοβολταϊκό στοιχείο μεταβιβάζεται στην κυψελίδα καυσίμου. Όταν η τάση του φωτοβολταϊκού είναι V και η κυψελίδα διαρρέεται από ρεύμα I, με το γινόμενο VI υπολογίζουμε το ρυθμό P με τον οποίο η ηλεκτρική ενέργεια μεταβιβάζεται στην κυψελίδα. Δηλαδή  P = V I. Όμως ο υπολογισμός της ωφέλιμης ισχύος είναι πιο περίπλοκος.

Η ενέργεια αυτή υπάρχει στο υδρογόνο το οποίο μπορεί να μετατραπεί ξανά σε νερό σύμφωνα με την αντίδραση:  Η2 + ½ Ο2 → Η2Ο

Η μέγιστη ενέργεια (ελεύθερη ενέργεια Gibbs) που μπορεί να εξαχθεί από την προηγούμενη «καύση» κατά τη δημιουργία 1 mol Η2Ο σε υγρή κατάσταση, θεωρητικά είναι περίπου 237 kJ.

Σε κανονικές συνθήκες (πίεση 1Atm και θερμοκρασία 273 0Κ ) ο όγκος 1 mol οποιουδήποτε αερίου είναι 22,4 lt , όμως σε θερμοκρασία 25 0C (θερμοκρασία δωματίου) ο όγκος  του 1 mol είναι 24,45 lt. Αν λοιπόν «κάψετε» 1 mol υδρογόνου είναι δυνατό να εξάγουμε ενέργεια (μετατρέψιμη με κατάλληλη διάταξη σε άλλες μορφές όπως ηλεκτρική) μέχρι και 237 kJ. Ο χαρακτηρισμός δυνατόν  έχει σχέση με το γεγονός ότι σε κάθε ενεργειακή μετατροπή ένα σημαντικό κλάσμα της ενέργειας μεταβιβάζεται στο περιβάλλον με θερμότητα (ενεργειακή υποβάθμιση).

 

 

ΟΔΗΓΟΣ  ΜΑΘΗΤΗ

Πειραματική δραστηριότητα           1

 

Η διασπαση του απεσταγμενου νερου με την κυψελιδα καυσιμου υδρογονου

 

Ρυθμός ηλεκτρολυτικής διάσπασης του νερού.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Εισαγωγή

Ένα οποιοδήποτε ηλεκτροχημικό στοιχείο αποτελείται από ένα ηλεκτρολύτη, και δυο ηλεκτρόδια την άνοδο και την κάθοδο (δίπολο στοιχείο). Όταν εφαρμόσουμε μια ηλεκτρική τάση τα ιόντα (οι φορείς του ηλεκτρικού φορτίου) κατευθύνονται στα ηλεκτρόδια και δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα. Για να διασπαστεί το νερό στα ιόντα του, πρέπει η εξωτερική τάση που εφαρμόζουμε να είναι μεγαλύτερη από μια ορισμένη τιμή. Η ελάχιστη αυτή τιμή ονομάζεται τάση διάσπασης.

 

Στόχοι

·    Η λήψη, η καταγραφή σε πίνακες και η  επεξεργασία μετρήσεων

·    Η κατασκευή γραφημάτων (επιλογή κατάλληλης κλίμακας στους άξονες) 

·    Η ανάγνωση των γραφημάτων

 

Προαπαιτούμενες πληροφορίες

Η ισχύς που μεταβιβάζεται σε ένα ηλεκτρικό δίπολο υπολογίζεται από το γινόμενο V I. Δηλαδή είναι P = V I.  Επίσης η ισχύς μετρά το ρυθμό μεταβίβασης της ενέργειας και κατά συνέπεια μπορούμε να γράψουμε  P = W/t.

Επίσης ο αριθμός των mol ενός αερίου που έχει όγκο V σε τυχαίες συνθήκες, υπολογίζεται από το πηλίκο n = V/Vm, όπου Vm είναι ο όγκος ενός mol στις συνθήκες αυτές.

 

Πειραματική προετοιμασία

1.    Επινοήστε και σχεδιάστε το κύκλωμα που θα πρέπει να υλοποιήσετε για να τροφοδοτήσετε με το φωτοβολταϊκό στοιχείο (με τάση  1,5 V έως 2 V περίπου) την αναστρέψιμη κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου. Στο κύκλωμα να συμπεριλάβετε ένα βολτόμετρο και ένα αμπερόμετρο έτσι ώστε να μετρήσετε το ρεύμα και την τάση στα άκρα της κυψελίδας. ΠΡΟΣΟΧΗ: Η κυψελίδα πρέπει να είναι γεμάτη με απεσταγμένο νερό και να μη περιέχει φυσαλίδες.

2.    Εξηγήστε πως είναι δυνατόν να περνάει ηλεκτρικό ρεύμα από το νερό που χρησιμοποιείται ως υγρός ηλεκτρολύτης στην κυψελίδα.

 

Πειραματική διαδικασία

·        Κατασκευάστε το κύκλωμα και ελέγξατε αν το βολτόμετρο και το αμπερόμετρο δίνουν τις κατάλληλες ενδείξεις.

·        Αφού αρχίσει η ηλεκτρόλυση (προφανής παραγωγή φυσαλίδων) , αρχίστε την χρονομέτρηση, καταγράφοντας το χρόνο και τους όγκους των αερίων που έχουν παραχθεί.

 

Μετρήσεις – Επεξεργασία – Αποτελέσματα

1.    Σχεδιάστε το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος και προτείνατε την τεχνική λήψης μετρήσεων που θα ακολουθήσετε προκειμένου να αυξήσετε την ακρίβεια.

2.    Χρησιμοποιήστε κατάλληλο πίνακα  για την εισαγωγή των πειραματικών δεδομένων.

3.    Απεικονίσατε τη σχέση όγκος οξυγόνου , όγκος υδρογόνου – χρόνος στο ίδιο διάγραμμα.

4.    Υπολογίσατε τους ρυθμούς παραγωγής οξυγόνου και υδρογόνου.

5.    Υπολογίστε το συντελεστή απόδοσης της ενεργειακής μετατροπής

 

 

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ

Πειραματική δραστηριότητα           1

 

Η διασπαση του απεσταγμενου νερου με την κυψελιδα καυσιμου υδρογονου

 

Ρυθμός ηλεκτρολυτικής διάσπασης του νερού.

 

α/α

Χρόνος

Όγκος Υδρογόνου

Όγκος Οξυγόνου

 

min

ml

ml

1

0

0

0

2

4,27

3

1,5

3

8,73

6

3

4

13

9

4,5

5

17,33

12

6

6

22,3

15

7,5

7

27,18

18

9

8

32,08

21

10,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ρυθμός παραγωγής Υδρογόνου = ( 20 ml / 30 min ) = ( 1/ 90000 ) lt\s

 

Ρυθμός παραγωγής Οξυγόνου = ( 10 ml / 30 min ) = ( 1/ 180000 ) lt\s

 

Σε συνθήκες δωματίου : θερμοκρασία  T = ( 273+25 ) 0K = 298 0K  και  πίεση  P = 1 atm,  έχουμε:

 

όγκος του ενός mol  : Vmol = (298/273).22,4 lt = 24,45 lt και

 

Ρυθμός παραγωγής Υδρογόνου = ( 20 ml / 30 min ) = ( 1/ 90000 ) lt/s = ( 1/2200500 ) mol/s

 

Ρυθμός παραγωγής Οξυγόνου = ( 10 ml / 30 min ) = ( 1/ 180000 ) lt/s = ( 1/4401000 ) mol/s

 

Ρυθμός διάσπασης νερού  = ρυθμός παραγωγής υδρογόνου = ( 1/2200500 ) mol/s

 

Η μέγιστη ενέργεια που μπορεί να εξαχθεί από την καύση ενός mol υδρογόνου, είναι 237000 J

 

Συνεπώς:

 

Pεξόδου = Pχημική = ( 1/2200500 ) mol/s . 237000 J/mol = 0,108 W.

 

Pεισόδου = Pφωτ/κου = Vφωτ/κου Iκυψ = 1,55 Ω 0,1 Α = 0,155 W

 

Ο συντελεστή απόδοσης της κυψελίδας σε λειτουργία ηλεκτρόλυσης, είναι:

 

nηλ = Pεξόδου / Pεισόδου = 0,108 W / 0,155 W = 0,697 περίπου  70%

 

 

Σχόλια

Όπως φαίνεται από το συντελεστή απόδοσης η κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου είναι ένα ενδιαφέρον δίπολο μετατροπής ενέργειας από ηλεκτρική σε χημική με πολύ μεγάλη απόδοση.

 

 

 

ΟΔΗΓΟΣ  ΚΑΘΗΓΗΤΗ

Πειραματική δραστηριότητα           2

 

Η συμπεριφορά της κυψελιδασ καυσιμου υδρογονου ωσ ηλεκτροχημικού στοιχείου

 

Χαρακτηριστική καμπύλη         I  -  V.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Εικόνα 2.   Πειραματική διάταξη ηλεκτρόλυσης

Σκοπός

Η εξοικείωση, η ανάδειξη και η αποδοχή από τους μαθητές της επιστημονικής μεθοδολογίας ως προϊόν παιδείας και απαραίτητο εφόδιο για τη σύγχρονη  κοινωνία.

Η δημιουργία ενός σύγχρονου – ελκυστικού εκπαιδευτικού περιβάλλοντος που θα βοηθήσει τους μαθητές να αναθεωρήσουν τις απόψεις τους για το «απεχθές» γνωστό σχολικό περιβάλλον, και  θα εκδηλώσουν ενδογενές ενδιαφέρον για τις φυσικές επιστήμες.

 

Χρήσιμες οδηγίες

6.    Συναρμολογήσατε τη διάταξη όπως φαίνεται στην εικόνα 1. Ελέγξτε σχολαστικά την πολικότητα. Πρέπει ο θετικός ακροδέκτης του φωτοβολταϊκού στοιχείου να συνδέεται με το θετικό ακροδέκτη του ηλεκτροχημικού στοιχείου (electrolyser).

7.    Μεταβάλλοντας την απόσταση του λαμπτήρα από το φωτοβολταϊκό ή αλλάζοντας τον προσανατολισμό του φωτοβολταϊκού πλακιδίου ως προς τον λαμπτήρα, έχουμε διάφορες τιμές της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος και τις αντίστοιχες τάσεις στους πόλους του ηλεκτροχημικού στοιχείου.

8.    Ξεκινήστε τις μετρήσεις από μικρά ρεύματα της τάξης των 0,03 Α περίπου μέχρι 0,35 Α περίπου καταγράφοντας τις αντίστοιχες τιμές της τάσης σε πίνακα. Δέκα μετρήσεις θεωρούνται αρκετές.

 

Πίνακας μετρήσεων

Τάση / V

Ένταση / Α

 

 

 

9.    Με βάση τον προηγούμενο πίνακα να συμπληρώστε τον επόμενο πίνακα

 

Πίνακας μετρήσεων

Ισχύς / W

Ένταση / Α

 

 

 

 

Απαραίτητες πράξεις

5.    Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική καμπύλη

6.    Ερμηνεύστε τη συμπεριφορά του ηλεκτροχημικού στοιχείου

7.    Σχεδιάστε την καμπύλη P – I

8.    Καταγράψτε τη συμπεριφορά του ηλεκτροχημικού στοιχείου

 

Γνωστικά αντικείμενα

·      Η ηλεκτρολυτική διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο προκαλείται από το ηλεκτρικό ρεύμα των ιόντων που κινούνται μέσα στον ηλεκτρολύτη υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου

·    Η παραγωγή των αερίων αρχίζει όταν η τάση ξεπεράσει μια κατώτερη τιμή και ο ρυθμός αυξάνεται καθώς η τάση αυξάνεται.

 

Ερμηνεία

Από τη χαρακτηριστική καμπύλη IV γνωρίζουμε ότι ένα ελάχιστο ρεύμα μπορεί να μετρηθεί μόνο όταν τάση πάνω από μια κατώτατη τιμή υπάρχει στο ηλεκτροχημικό δίπολο. Στη συνέχεια αύξηση της εξωτερικής τάσης συνοδεύεται με αύξηση του ρεύματος. Η ελάχιστη τάση που απαιτείται για την έναρξη της ηλεκτρόλυσης είναι περίπου 1 V.

Τα αέρια που εμφανίζονται στην ελάχιστη τιμή τάσης, αρχικά προσροφώνται από τα ηλεκτρόδια και έτσι έχουμε ένα γαλβανικό στοιχείο. Αυτό το γαλβανικό στοιχείο έχει μια χαρακτηριστική τάση πόλωσης, που είναι το κατώφλιο της απαιτούμενης εξωτερικής τάσης για την έναρξη της ηλεκτρόλυσης, εφόσον δρα ανταγωνιστικά.

Καθώς η εξωτερική τάση αυξάνεται, περισσότερο αέριο προσροφάται  με αποτέλεσμα να αυξάνεται η πίεση. Όταν η πίεση των αερίων στα ηλεκτρόδια ανέβει στα επίπεδα της ατμοσφαιρικής πίεσης, φυσαλίδες αρχίζουν να ανεβαίνουν.

Επιπλέον αύξηση της εξωτερικής τάσης, οδηγεί στο συνεχή σχηματισμό αερίων και σε μια απότομη θετική κλίση της καμπύλης IV. Η ελάχιστη τάση που απαιτείται για την έναρξη του φαινομένου ονομάζεται τάση διάσπασης. Για το ηλεκτροχημικό στοιχείο που χρησιμοποιήσαμε η τάση αυτή ισοδυναμεί με την τάση του γαλβανικού στοιχείου Η2//Η2Ο//Ο2 και είναι περίπου 1,23 V για κανονικές συνθήκες. Αυτό σημαίνει ότι η απελευθέρωση υδρογόνου και οξυγόνου προφανώς εμποδίζεται για μικρότερες τιμές της εξωτερικής τάσης. Πειραματικά η μετρούμενη τιμή είναι διαφορετική διότι παράμετροι όπως το υλικό των ηλεκτροδίων, η υφή της επιφάνειας των ηλεκτροδίων ο ηλεκτρολύτης και  η περιεκτικότητά του, η πυκνότητα ρεύματος στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων και η θερμοκρασία έχουν λόγο.

Στην κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου  PEM, ο ηλεκτρολύτης δεν είναι υγρός. Η δράση του οφείλεται στην μεμβράνη επιλεκτικής αγωγής πρωτονίων . Ηλεκτροχημικά η μεμβράνη αυτή προσομοιώνεται από θειικό οξύ περιεκτικότητας 1 Μ.  Μόνο πολύτιμα μέταλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρόδια σε όξινο περιβάλλον. Η πλευρά του οξυγόνου της κυψελίδας PEM καλύπτεται από ένα κράμα ιριδίου-ρουθηνίου (Ir-Ru) ενώ η πλευρά του υδρογόνου από πλατίνα (Pt).

 

 

 

ΟΔΗΓΟΣ  ΜΑΘΗΤΗ

Πειραματική δραστηριότητα           2

 

Η συμπεριφορά της κυψελιδασ καυσιμου υδρογονου ωσ ηλεκτροχημικού στοιχείου

 

Χαρακτηριστική καμπύλη         I  -  V.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Εισαγωγή

Ένα οποιοδήποτε ηλεκτροχημικό στοιχείο αποτελείται από ένα ηλεκτρολύτη, και δυο ηλεκτρόδια την άνοδο και την κάθοδο (δίπολο στοιχείο). ¨όταν εφαρμόσουμε μια ηλεκτρική τάση τα ιόντα (οι φορείς του ηλεκτρικού φορτίου) κατευθύνονται στα ηλεκτρόδια και δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα. Για να διασπαστεί το νερό στα ιόντα του, πρέπει η εξωτερική τάση που εφαρμόζουμε να είναι μεγαλύτερη από μια ορισμένη τιμή. Η ελάχιστη αυτή τιμή ονομάζεται τάση διάσπασης.

 

Στόχοι

·    Η χρήση των οργάνων ηλεκτρικών μετρήσεων (κλίμακες, ανάγνωση ένδειξης στα αναλογικά όργανα)

·    Η εξοικείωση των μαθητών με τη συναρμολόγηση ηλεκτρικών κυκλωμάτων

·    Ο προσδιορισμός της ελάχιστης τάσης για την έναρξη του φαινομένου της ηλεκτρόλυσης.

·    Η καταγραφή σε πίνακες και η  επεξεργασία μετρήσεων

·    Η κατασκευή γραφημάτων (επιλογή κατάλληλης κλίμακας στους άξονες) 

·    Η ανάγνωση των γραφημάτων

 

Προαπαιτούμενες πληροφορίες

Η συμπεριφορά κάθε δίπολου στοιχείου στο ηλεκτρικό κύκλωμα, καταγράφεται με ζεύγη τιμών τάσης-έντασης  και απεικονίζεται στο διάγραμμα IV. Το σύνολο των σημείων (ζευγών τάσης – έντασης ρεύματος) μας καθοδηγεί να φέρουμε την καταλληλότερη γραμμή ώστε να κατασκευάσουμε το γράφημα IV , που ονομάζουμε χαρακτηριστική καμπύλη.

Στη περίπτωσή μας το δίπολο στοιχείο είναι η αναστρέψιμη κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου σε λειτουργία ηλεκτροχημικού στοιχείου.

 

Πειραματική προετοιμασία

3.    Επινοήστε και σχεδιάστε το κύκλωμα που θα πρέπει να υλοποιήσετε για να τροφοδοτήσετε με το φωτοβολταϊκό στοιχείο (με 2 V τάση περίπου) την αναστρέψιμη κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου (συμπεριφορά ηλεκτροχημικού στοιχείου). Στο κύκλωμα να συμπεριλάβετε ένα βολτόμετρο και ένα αμπερόμετρο έτσι ώστε να μετρήσετε το ρεύμα και την τάση στα άκρα της κυψελίδας. ΠΡΟΣΟΧΗ: Η κυψελίδα πρέπει να είναι γεμάτη με απεσταγμένο νερό και να μη περιέχει φυσαλίδες.

4.    Εξηγήστε πως μπορούμε να μεταβάλουμε την τάση στην κυψελίδα.

5.    Εξηγήστε πως είναι δυνατόν να περνάει ηλεκτρικό ρεύμα από το νερό που χρησιμοποιείται ως υγρός ηλεκτρολύτης στην κυψελίδα.

 

Πειραματική διαδικασία

·        Κατασκευάστε το κύκλωμα και ελέγξατε αν το βολτόμετρο και το αμπερόμετρο δίνουν κατάλληλες ενδείξεις.

·        Μεταβάλλετε την τάση του φωτοβολταϊκού στοιχείου με κατάλληλους χειρισμούς και δείτε τις μεταβολές στο ρεύμα.

 

Μετρήσεις – Επεξεργασία – Αποτελέσματα

1.    Σχεδιάστε το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος και εξηγήστε την πειραματική τεχνική που θα ακολουθήσετε για να ανακαλύψετε τη συμπεριφορά της κυψέλης ως ηλεκτροχημικού δίπολου στοιχείου.

2.    Χρησιμοποιήστε κατάλληλο πίνακα (πίνακας 1) για την εισαγωγή των πειραματικών δεδομένων.

3.    Σχεδιάστε την χαρακτηριστική καμπύλη I - V του δίπολου.

4.    Με βάση τον πίνακα 1 να δημιουργήσετε ανάλογο κατάλληλο πίνακα 2 με δυο στήλες  προκειμένου να κατασκευάσετε το διάγραμμα  PI ( ρυθμός μεταβιβαζόμενης ηλεκτρικής  ενέργειας στο δίπολο – ένταση ρεύματος).

5.    Σχεδιάστε την καμπύλη PI . βασικό συμπέρασμα προκύπτει;

6.    Σχολιάστε τα προβλήματα που είχατε κατά την εκτέλεση του πειράματος

 

 

 

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ

Πειραματική δραστηριότητα           2

 

Η συμπεριφορά της κυψελιδασ καυσιμου υδρογονου ωσ ηλεκτροχημικού στοιχείου

 

 

 

Χαρακτηριστική καμπύλη I -V

α/α

τάση Fuel Cell

ένταση ρεύματος FC

 

V

Α

1

1,46

0,03

2

1,48

0,04

3

1,49

0,05

4

1,5

0,07

5

1,51

0,08

6

1,51

0,09

7

1,52

0,1

8

1,53

0,14

9

1,54

0,17

10

1,55

0,19

11

1,56

0,22

12

1,57

0,26

 

Διάγραμμα P - I

α/α

ένταση ρεύματος FC

ισχύς Fuel Cell

 

Α

W

1

0

0

2

0,03

0,0438

3

0,04

0,0592

4

0,05

0,0745

5

0,07

0,105

6

0,08

0,1208

7

0,09

0,1359

8

0,1

0,152

9

0,14

0,2142

10

0,17

0,2618

11

0,19

0,2945

12

0,22

0,3443

13

0,26

0,4082

 

 

Σχόλια

 

Όπως φαίνεται από το διάγραμμα Ρ – I  το δίπολο στοιχείο στην περιοχή των μετρήσεων παρουσιάζει σταθερό πηλίκο P/I .

Συγκεκριμένα         

Η σταθερότητα αυτή μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για κάποιο χαρακτηριστικό του δίπολου και συγκεκριμένα εκφράζει τον ρυθμό με τον οποίο μεταβιβάζεται η ηλεκτρική ενέργεια από το φωτοβολταϊκό στο δίπολο αν μονάδα ρεύματος.

 

 

 

ΟΔΗΓΟΣ  ΚΑΘΗΓΗΤΗ

Πειραματική δραστηριότητα           3

 

Η συμπεριφορά της κυψελιδασ καυσιμου υδρογονου

 

Χαρακτηριστική καμπύλη         V - Ι.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Εικόνα 1   Κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου

Σκοπός

Η εξοικείωση, η ανάδειξη και η αποδοχή από τους μαθητές της επιστημονικής μεθοδολογίας ως προϊόν παιδείας και απαραίτητο εφόδιο για τη σύγχρονη  κοινωνία.

Η δημιουργία ενός σύγχρονου – ελκυστικού εκπαιδευτικού περιβάλλοντος που θα βοηθήσει τους μαθητές να αναθεωρήσουν τις απόψεις τους για το «απεχθές» γνωστό σχολικό περιβάλλον, και  θα εκδηλώσουν ενδογενές ενδιαφέρον για τις φυσικές επιστήμες.

 

Χρήσιμες οδηγίες

Για να χρησιμοποιήσουμε την κυψελίδα ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, πρέπει τα δοχεία οξυγόνου και υδρογόνου να είναι πλήρη. Αν αυτό δε συμβαίνει θα τροφοδοτήσουμε την κυψελίδα με το φωτοβολταϊκό μέχρι να αποθηκευτεί αρκετή ποσότητα αερίων. Τώρα αποσυνδέουμε το φωτοβολταϊκό και η κυψελίδα είναι έτοιμη να λειτουργήσει ως ηλεκτρική πηγή.

Τροφοδοτούμε με την κυψελίδα ωμικά ηλεκτρικά φορτία, όπως αντιστάτες  με αντίσταση μικρότερη από 50 Ω μέχρι και 0,5 Ω. Κάθε φορά το ωμικό φορτίο να τροφοδοτείται τόσο χρόνο μέχρι να σταθεροποιηθούν οι ενδείξεις των οργάνων και στη συνέχεια να αποσυνδέεται.

10.              Συναρμολογήστε τη διάταξη όπως φαίνεται στην εικόνα 1.

11.              Ελέγξατε την πληρότητα των δοχείων οξυγόνου και υδρογόνου.

12.              Ξεκινήστε τις μετρήσεις με ανοικτό κύκλωμα (ρεύμα μηδέν) και σημειώστε την ένδειξη του βολτόμετρου.

13.              Χρησιμοποιήστε διάφορα ωμικά φορτία ή μια μεταβλητή αντίσταση όπως φαίνεται στην εικόνα 1 και σημειώστε τις ενδείξεις του βολτόμετρου και του αμπερόμετρου σε πίνακα τιμών. Πριν από κάθε μέτρηση περιμένετε περίπου 30 s.

 

Πίνακας μετρήσεων

Τάση / V

Ένταση / Α

 

 

 

 

14.              Χρησιμοποιήστε διάφορα φορτία όπως κατάλληλες λυχνίες ηλεκτρικών φανών, ευαίσθητους κινητήρες, βομβητές κλπ.

15.              Με βάση τον προηγούμενο πίνακα να συμπληρώστε τον επόμενο πίνακα

 

Πίνακας μετρήσεων

Ισχύς / W

Ένταση / Α

 

 

 

Απαραίτητες πράξεις

9.    Σχεδιάστε τη χαρακτηριστική καμπύλη V - I

10.              Ερμηνεύστε τη συμπεριφορά της κυψελίδας καυσίμου υδρογόνου

11.              Σχεδιάστε την καμπύλη PI

12.              Καταγράψτε τη συμπεριφορά της κυψελίδας καυσίμου υδρογόνου

 

Γνωστικά αντικείμενα

·      Η κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου λειτουργεί αντίστροφα από το ηλεκτροχημικό στοιχείο (electrolyser) το οποίο μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε χημική, μετατρέποντας χημική ενέργεια σε ηλεκτρική με τη συνένωση υδρογόνου και οξυγόνου και τη δημιουργία νερού.

 

Ερμηνεία

Για να κατανοήσουμε τη χαρακτηριστική καμπύλη του fuel cell, θα θυμηθούμε για λίγο το

ηλεκτροχημικό στοιχείο στο οποίο για να αρχίσει η ηλεκτρόλυση, πρέπει να εφαρμοστεί εξωτερική τάση τουλάχιστον 1,23 V (θεωρητική τιμή). Στην πράξη η τιμή αυτή είναι μεγαλύτερη. Στην περίπτωση του fuel cell, εμφανίζεται λίγο μικρότερη τάση για τους ίδιους λόγους. Το υλικό των ηλεκτροδίων, η εσωτερική αντίσταση, η θερμοκρασία και ο όγκος του οξυγόνου και του υδρογόνου που υπάρχουν για τροφοδοσία, καθορίζουν την τελική μορφή της χαρακτηριστικής καμπύλης.

Για μηδενικό ή πολύ μικρό ρεύμα, η τάση στους πόλους του fuel cell είναι περίπου 0,95 V. H τάση αυτή είναι η τάση ανοικτού κυκλώματος σε μια μπαταρία, και ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη.  Αύξηση του ρεύματος του fuel cell συνεπάγεται μείωση της τάσης του.

Στο διάγραμμα PI  μπορούμε να απεικονίσουμε τα σημεία λειτουργίας των δίπολων που τροφοδοτεί με ηλεκτρική ενέργεια η κυψελίδα. Σε ορισμένα φορτία (ηλεκτρικός κινητήρας, αντιστάτης με αντίσταση περίπου 50 Ω) η μεταβιβαζόμενη ισχύς από το Fuel Cell στο φορτίο είναι πολύ μικρή.

Στην πράξη προσπαθούμε να πάρουμε όσο γίνεται, μεγαλύτερη ηλεκτρική ισχύ από την κυψελίδα.

Όμως η απόδοση της κυψελίδας ελαττώνεται για υψηλές τιμές ρευμάτων , κατά συνέπεια δεν είναι εύκολος ο προσδιορισμός ενός σημείου λειτουργίας όπου η κυψελίδα θα παρουσιάζει ταυτόχρονα μεγάλη απόδοση και μεγάλη ισχύ στην έξοδό της.

 

 

Σημειώσεις

 

 

 

 

ΟΔΗΓΟΣ  ΜΑΘΗΤΗ

Πειραματική δραστηριότητα           3

 

Η συμπεριφορά της κυψελιδασ καυσιμου υδρογονου ωσ ηλεκτροχημικού στοιχείου

 

Χαρακτηριστική καμπύλη         I  -  V.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Εισαγωγή

 

 

Η κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου παράγει μια ηλεκτρεγερτική δύναμη emf με την συνένωση υδρογόνου και οξυγόνου για τη δημιουργία νερού.  Μια συνηθισμένη μπαταρία, τροφοδοτεί με ηλεκτρική ενέργεια ένα φορτίο μέχρι τα χημικά ενεργειακά της αποθέματα εξαντληθούν, οπότε πρέπει να αντικατασταθεί ή να επαναφορτιστεί.

 Η κυψελίδα καυσίμου παρέχει ενέργεια τόσο χρόνο όσο τροφοδοτείται με υδρογόνο και οξυγόνο. Το ρεύμα και η τάση εξαρτώνται από το φορτίο που τροφοδοτείται με ενέργεια από την κυψελίδα όπως δείχνει η χαρακτηριστική καμπύλη VI.

Καθώς οι ηλεκτροχημικές διαδικασίες κατά την μετατροπή χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική είναι αντίστροφες με αυτές που συμβαίνουν κατά την μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική, είναι σκόπιμο να συγκρίνετε τις χαρακτηριστικές καμπύλες.

 

Στόχοι

·    Η χρήση των οργάνων ηλεκτρικών μετρήσεων (κλίμακες, ανάγνωση ένδειξης στα αναλογικά όργανα)

·    Η εξοικείωση των μαθητών με τη συναρμολόγηση ηλεκτρικών κυκλωμάτων

·    Ο προσδιορισμός της emf (μέγιστης  τάσης) της κυψελίδας.

·    Η καταγραφή σε πίνακες και η  επεξεργασία μετρήσεων

·    Η κατασκευή γραφημάτων (επιλογή κατάλληλης κλίμακας στους άξονες) 

·    Η ανάγνωση των γραφημάτων

 

Προαπαιτούμενες πληροφορίες

Η συμπεριφορά κάθε δίπολου στοιχείου στο ηλεκτρικό κύκλωμα, καταγράφεται με ζεύγη τιμών τάσης-έντασης  και απεικονίζεται στο διάγραμμα IV. Το σύνολο των σημείων (ζευγών τάσης – έντασης ρεύματος) μας καθοδηγεί να φέρουμε την καταλληλότερη γραμμή ώστε να κατασκευάσουμε το γράφημα IV , που ονομάζουμε χαρακτηριστική καμπύλη.

Στη περίπτωσή μας το δίπολο στοιχείο είναι η αναστρέψιμη κυψελίδα καυσίμου υδρογόνου σε λειτουργία ηλεκτρικής πηγής (μετατροπής της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική).

 

Πειραματική προετοιμασία

6.    Επινοήστε και σχεδιάστε το κύκλωμα που θα πρέπει να υλοποιήσετε για να μετρήσετε την emf της κυψελίδας και για να καταγράψετε ζεύγη τιμών τάσης – έντασης ρεύματος. ΠΡΟΣΟΧΗ: Τα δοχεία οξυγόνου και υδρογόνου πρέπει να είναι πλήρη.

7.    Εξηγήστε πως μπορούμε να μεταβάλουμε την τάση και το ρεύμα στην κυψελίδα.

8.    Εξηγήστε την αξία της χαρακτηριστικής καμπύλης.

 

Πειραματική διαδικασία

·        Κατασκευάστε το κύκλωμα

·        Τροφοδοτήστε ένα ωμικό φορτίο και ελέγξατε αν το βολτόμετρο και το αμπερόμετρο δίνουν κατάλληλες ενδείξεις.

·        Μεταβάλλετε την αντίσταση του ωμικού φορτίου (με τη βοήθεια της μεταβλητής αντίστασης ή συνδέοντας αντιστάτες διαφορετικών τιμών αντίστασης) και δείτε τις μεταβολές στο ρεύμα και την τάση.

 

Μετρήσεις – Επεξεργασία – Αποτελέσματα

1.    Σχεδιάστε το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος και εξηγήστε την πειραματική τεχνική που θα ακολουθήσετε για να παράγετε δεδομένα (τιμές τάσης και έντασης)

2.    Χρησιμοποιήστε κατάλληλο πίνακα (πίνακας 1) για την εισαγωγή των πειραματικών δεδομένων.

3.    Σχεδιάστε την χαρακτηριστική καμπύλη VI  του δίπολου.

4.    Σχολιάστε τη μορφή της καμπύλης VI .

5.    Με βάση τον πίνακα 1 να δημιουργήσετε ανάλογο κατάλληλο πίνακα 2 με δυο στήλες  προκειμένου να κατασκευάσετε το διάγραμμα  PI ( ρυθμός μεταβιβαζόμενης ηλεκτρικής  ενέργειας στο ωμικό φορτίο – ένταση ρεύματος).

6.    Σχεδιάστε την καμπύλη PI . Ποιο βασικό συμπέρασμα προκύπτει;

7.    Σχολιάστε τα προβλήματα που είχατε κατά την εκτέλεση του πειράματος

 

 

 

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ

Πειραματική δραστηριότητα           3

 

Η συμπεριφορά της κυψελιδασ καυσιμου υδρογονου ωσ ηλεκτρικης πηγης

 

 

 

 

Χαρακτηριστική καμπύλη V - I

α/α

ένταση ρεύματος FC

τάση FC

 

Α

V

1

0

0,98

2

0,022

0,89

3

0,024

0,87

4

0,033

0,86

5

0,046

0,84

6

0,05

0,82

7

0,057

0,83

8

0,07

0,81

9

0,098

0,8

10

0,104

0,79

11

0,123

0,78

12

0,128

0,79

13

0,144

0,77

14

0,16

0,77

15

0,2

0,75

16

0,44

0,62

17

1,1

0,4

 

 

Διάγραμμα P - I

α/α

ένταση ρεύματος FC

ισχύς Fuel Cell

 

Α

W

1

0

0

2

0,022

0,0193

3

0,024

0,021

4

0,033

0,0279

5

0,046

0,0382

6

0,05

0,041

7

0,057

0,047

8

0,07

0,0567

9

0,098

0,0786

10

0,104

0,0822

11

0,123

0,096

12

0,128

0,1011

13

0,144

0,1109

14

0,16

0,1232

15

0,2

0,15

16

0,44

0,2728

17

1,1

0,44

Σχόλια

 

Όπως φαίνεται από το διάγραμμα Ρ – I  το δίπολο στοιχείο παρουσιάζει σταθερό πηλίκο P/I μόνο στην περιοχή 0 – 0,2 Α και κατά προσέγγιση.

Συγκεκριμένα         

Η σταθερότητα αυτή μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για κάποιο χαρακτηριστικό του δίπολου που συγκεκριμένα εκφράζει τον ρυθμό με τον οποίο μεταβιβάζεται η ηλεκτρική ενέργεια από την κυψελίδα υδρογόνου στο εξωτερικό φορτίο ανά μονάδα ρεύματος.

Από το αντίστοιχο διάγραμμα της λειτουργίας της κυψελίδας ως μετατροπέα ηλεκτρικής σε χημική ενέργεια (electrolyser) και για την ίδια περιοχή ρεύματος, έχουμε  .

 

Μπορούμε λοιπόν να συμπεράνουμε ότι ο συντελεστής απόδοσης για ρεύματα από 0 έως 0,2 Α, είναι : ή    ! Η τιμή αυτή είναι πολύ υψηλότερη από τις τιμές των συντελεστών απόδοσης των συμβατικών θερμικών μηχανών.

 

 


 


ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

 

1.      ΕΙΧΗΜΥΘ           www.iecht.rorth.gr

2.      Thames & Kosmos, LLC, Newport, RI USA 

3.      Physics  through  Hydrogen, Clean Energy for the Future,  Averil MacDonald (3 rd edition 2003)

4.      ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ, Νικόλαος Α. Κατσάνος, Έκδοση Τ.Ε.Ε. ΑΘΗΝΑ 1973

5.      ΦΥΣΙΚΗ, Α΄ τάξης και Β΄ τάξης Ενιαίου Πολυκλαδικού Λυκείου, Ν. Δαπόντες, Α. Κασέτας, Σ. Μουρίκης, Μ. Σκιαθίτης. Ο.Ε.Δ.Β. Αθήνα 1996

6.      Διαθεματικό υλικό για την Ευέλικτη Ζώνη Καινοτόμων Δράσεων, ΓΥΜΝΑΣΙΟ τόμος Δ – Φυσικές Επιστήμες, ΥΠΕΠΘ-ΠΙ , ΕΠΕΑΕΚ ΙΙ, Αθήνα 2001

7.      ΦΥΣΙΚΗ Α΄ και Β΄ Ενιαίου Λυκείου , Γενικής Παιδείας, Γ. Ζησιμόπουλος, Γρ. Καραγιάννης, Γ. Παπαλεξίου, Ι. Στάης, Χρ. Τρικαλινός, Σπ. Χαραλαμπόπουλος, Ο.Ε.Δ.Β. Αθήνα 2000,

8.      Φυσική Γ΄ Γυμνασίου, Β. Καραπαναγιώτης, Ν. Παπασταματίου, Α. Φέρτης, Χ. Χαλέτσος. Ο.Ε.Δ.Β. Αθήνα 2000

9.      Διαθεματικό Ενιαίο Πλαίσιο Προγραμμάτων Σπουδών, Αναλυτικά Προγράμματα Σπουδών, ΥΠΕΠΘ-ΠΙ Αθήνα 2002

10.  Περιοδικό RAM, τεύχος 178, Μάρτιος 2004

11.  Περιοδικό PC MAGAZINE ,τεύχος 35, ΜΑΡΤΙΟΣ 2004

12.  ΘΕΜΑΤΑ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗΣ ΓΙΑ ΤΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ, Ζησιμόπουλος Γ., ΜουτζούρηΜανούσου Ε., Καφετζόπουλος Κ., Παπασταματίου Ν., Εκδόσεις ΠΑΤΑΚΗ Αθήνα 2002.