Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

1

Ćwiczenie

nr 1

Temat ćwiczenia:

Elektroliza wody

Konspekt

Nr zespołu:

Wydział, rok, grupa:

Data

Ocena

Nazwisko i imię

Teoria

Wykonanie ćwiczenia

Końcowa z ćwiczenia

1.

2.

Elementy układu:

1. elektrolizer,
2. zmienne obciążenie zewnętrzne,
3. amperomierz,
4. woltomierz,
5. zasilacz,
6. kable (komplet),
7. krótka rurka,
8. klipsy,
9. stoper,
10. woda dejonizowana ( destylowana).

1.Informacje wstępne

Elektroliza jest procesem rozkładu elektrolitu na elektrodach, następującym w wyniku

przepływu prądu przez ten elektrolit. Tak więc, w trakcie elektrolizy do układu doprowadzana jest

energia elektryczna. Warunkiem przepływu prądu przez elektrolit jest istnienie w nim

naładowanych cząstek – jonów. Jony te mogą powstać w wyniku rozstrzepienia substacji pod

wpływem oddziaływania z rozpuszczalnikiem (dysocjacji), tak jak to ma miejsce w roztworze

wodnym NaCl (NaCl dysocjuje na kationy Na

+

i aniony Cl

-

). W wodnych roztworach elektrolitów

jony otoczone są grupą oddziaływujacych z nimi cząteczek wody (są hydratyzowane). Gdy

dysocjacja ma miejsce w roztworze niewodnym otaczają je cząsteczki rozpuszczalnika – jony są

solwatyzowane. W wiekszości, sole stopione w stanie ciekłym składają się wyłącznie z jonów – są

cieczami jonowymi. Pewne substancje w stanie stałym, na przykład tlenek cyrkonu ZrO

2

stabilizowany tlenkiem itru Y

2

O

3

, w podwyższonej temperaturze charakteryzują się również

wysokim przewodnictwem jonowym. Przepływ ładunku przez stały elektrolit następuje na skutek

wędrówki jonów O

2-

po defektach sieciowych podsieci anionowej (tlenkowej). Przepływ prądu

przez elektrolit wiąże się z przepływem masy. Elektrolity są przewodnikami drugiego rodzaju.

Na anodzie elektrolizera (elektrodzie dodatniej) ma miejsce proces elektroutleniania, w

trakcie którego do elektrody dopływają aniony i oddają elektrony. Na katodzie (elektrodzie

ujemnej) ma miejce proces elektroredukcji, w trakcie którego kationy pobierają elektrony.

Produkty elektrolizy wydzielają się na elektrodach.

Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

2

W przeciwieństwie do elektrolizera, do którego dostarczana jest energia, ogniwo

galwaniczne dostarcza energii elektrycznej. W ogniwie galwanicznym proces anodowy

(elektroutleniania) przebiega na elektrodzie ujemnej, zaś proces elektroredukcji na dodatniej

katodzie.

Ogniwo galwaniczne

Elektrolizer

Reakcje przebiegają samorzutnie.

Reakcje są wymuszane przyłożonym z zewnątrz

napięciem

Przebiegające w ogniwie reakcje powodują

przepływ elektronów w obwodzie

zewnętrznym.

Kierunki przepływu prądu w układzie

elektrolizera i ogniwie są przeciwne

Procesy polegają na przekazaniu energii z

ogniwa do otoczenia, czyli do obwodu

zewnętrznego (procesy egzoenergetyczne).

Zewnętrzne źródło prądu przekazuje energię

reagentom elektrolizera (procesy

endoenergetyczne).

Prawa Faraday’a

Zgodnie z I prawem Faraday’a, ilość wydzielonej substancji (w przypadku elektrolizy

wody – gazu) jest wprost proporcjonalna do przepływającego w czasie elektrolizy ładunku Q.

Kiedy przez elektrolizer przepuścimy ładunek 96500 C oznacza to, że przepłynął przez niego 1 mol

elektronów. Jeżeli prąd płynący przez elektrolizer nie zmienia się w czasie a jego natężenie wynosi

I to ładunek jest iloczynem natężenia prądu i czasu.

Q = I⋅ t

Teoretycznie, ilość wydzielonego wodoru można obliczyć korzystając z II prawa Faraday’a

I⋅t = n⋅z⋅F

Sprawność faradajowską elektrolizera wody, obliczamy dzieląc objętość wydzielonego

podczas elektrolizy gazu przez objętość gazu wynikającą z prawa Faraday’a

ther

H

H

F

V

V

2

2

exp

=

η

gdzie:

V

ther

2

H

- teoretyczna ilość otrzymanego wodoru [m

3

] lub[ml]

V

exp

2

H

- rzeczywista ilość otrzymanego wodoru [m

3

] lub[ml]

oraz

V

ther

2

H

=

z

p

F

t

T

I

R

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

[m

3

] lub [ml] lub V

ther

2

H

=

F

z

V

t

I

m

⋅

⋅

⋅

gdzie: gdzie n = V/V

m

Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

3

gdzie:

V

ther

2

H

- teoretyczna ilość otrzymanego wodoru [m

3

] lub[ml]

R- uniwersalna stała gazowa; R= 8,314













⋅ K

mol

J

;

p – ciśnienie otoczenia [Pa];

F- stała Faraday’a , F= 96485













mol

C

gdzie 1 [C]=1 A

⋅

s

T – temperatura [ K]

t - czas [ s]

z - ilość elektronów potrzebna do wydzielenia jednego mola H

2

-

[ 2]

V

m

– objętość molowa

Wartość obliczonej sprawności faradajowskiej powinna być bliska 1 ( 100%).

Jeżeli więc

obliczona sprawność faradajowska < 1 (100%), to wynika to zarówno z błędów pomiarowych,

zanieczyszczenia elektrolitu jak i z istnienia tzw. straty dyfuzyjnej w elektrolizerze wody. Strata

dyfuzyjna wynika z faktu, że część gazów przepływających przez membranę ponownie łączy się

tworząc wodę. Jeżeli obliczona sprawność faradajowska wynosi na przykład 0.90 (90 %) to

wskazuje to, że przepływający prąd prawie w całości posłużył do wytworzenia paliwa wodorowego

(tylko 10% ładunku dostarczonego do elektrolizera zostało „zmarnowane” na procesy uboczne).

Sprawność energetyczna elektrolizera wody jest to stosunek energii zawartej w

otrzymanym w wyniku procesu elektrolizy wodorze, do energii elektrycznej potrzebnej do jego

wytworzenia, czyli zużytej w trakcie elektrolizy.

t

I

U

V

H

H

oH

E

⋅

⋅

⋅

=

exp

2

2

η

gdzie:

H

r

2

oH

- wartość opałowa wodoru

]

m

MJ

[

920

,

11

H

3

2

oH

−

⋅

=

,

V

exp

2

H

- rzeczywista ilość otrzymanego wodoru [m

3

] lub [ml]

Badając zależność przyłożonego do elektrod napięcia i otrzymanego natężenia prądu, otrzymamy

wykres Rys.1.

Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

4

Rys.1. Wykres zmian natężenia prądu w funkcji napięcia

W stadium początkowym elektrolizy (odcinek 1), mimo przykładania coraz wyższego

napięcia nie obserwujemy znaczącego przyrostu wartości prądu płynącego w elektrolizerze oraz

wydzielania się na elektrodach gazowych produktów elektrolizy. Ma to miejsce dopiero po

osiągnięciu napięcia U

rozkł.

(odcinek 2). W przypadku elektrolizy wody, U

rozkł

musi być wyższe od

siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa wodorowo-tlenowego, w trakcie pracy którego ma miejsce

proces odwrotny do elektrolizy wody – samoistna jej synteza.

Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

5

WYKONANIE ĆWICZENIA nr 1

A. Zapoznanie się z działaniem elektrolizera polimerowego

W ćwiczeniu nr 1 zapoznamy się z działaniem elektrolizera polimerowego, które

najważniejszą część stanowi zespół elektrod i membrany (ang. MEA = Membrane Electrode

Assembly). Zespół ten składa się z anody i katody węglowej z rozproszoną Pt i specjalnej

membrany polimerowej – Nafionu, w której nośnikami prądu są dodatnie jony wodorowe H

+

-

protony. Nafion jest to fluorowęglowy polimer, zbliżony budową do Teflonu.

Rys.1.2. Schemat ogólny połączeń układu pomiarowego.

Rys.1.3. Budowa elektrolizera.

Objaśnienia

1) zbiorniki kompensacyjne,
2) zbiornik: O

2,

3) zbiornik: H

2,

4) elektrolizer.

1

2

3

4

Wypływ gazów

Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

6

Elektrolizer

Rys.1.4. Przygotowanie elektrolizera do pracy: a) napełnianie; b) montaż.

1. Połącz układ zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 1.2.

a) Gniazdo „+” zasilacza (czerwony przewód) połącz z „+” gniazdem elektrolizera.

Gniazdo „-” zasilacza ( czarny przewód) połącz z gniazdem „-” amperomierza,

a gniazdo „+” amperomierza połącz z jednym z gniazd zmiennego oporu a następnie drugie

gniazdo oporu połącz z gniazdem „-” elektrolizera.

b) Woltomierz przyłącz równolegle do elektrolizera. „+” woltomierza (przewód czerwony) przyłącz

do „+” elektrolizera zaś „-”woltomierza (przewód czarny) przyłącz do „-”elektrolizera (gniazda

czarnego) Rys.1.2.

2. Odkręć zbiorniki kompensacyjne dla wodoru i tlenu i odłóż je na bok . (Rys.1.4a)

3. Napełnij obydwa cylindry elektrolizera wodą dejonizowaną (destylowaną ) do poziomu 0 [ml],

bardzo ostrożnie aby zapobiec powstawaniu baniek powietrza w układzie. (Rys.1.4a).

4. Nałóż oba zbiorniki kompensacyjne (dla wodoru i tlenu) i dokręć je do zbiorniczków H

2

i O

2

Rys.1.4b).

5. Na rurkę od strony wodorowej nałóż klips jak pokazuje schemat na Rys. 1.5. Taki sam klips

nałóż na rurkę od strony tlenowej. Zaciśnij szczelnie klipsy (zakręć).

- 6 -

Rys.1.5. Nakładanie klipsów.

6. Ustaw zakres na woltomierzu 2V.

woda

dejonizowana

Klips

Elektrolizer

Klips

Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

7

7. Ustaw zakres na amperomierzu 10 A.

8.Ustaw pokrętło obciążenia oporu zmiennego na wartość

.

∞

9.Włącz zasilacz do sieci.

10.Ustaw pokrętło obciążenia oporu zmiennego kolejno na wartości:

(a) 33 k

Ω

, (b) 10 k

Ω

i (c) 5 k

Ω

11.Odczytaj wartość napięcia wyświetloną na woltomierzu gdy na amperomierzu pojawi się

wartość 0.04A.

12. Zmień wartość oporu zmiennego na kolejną, mniejszą wartość (przekręć pokrętło oporu o jedną

pozycję w prawo). Zapisz wartość oporu w Tab.1.1.

Po ustabilizowaniu się wartości napięcia i prądu (niezmiennej w ciągu ok.1 min.) zapisz je w

Tab.1.1.

13. Odkręć (ostrożnie) pokrętło klipsa na zbiorniku wodoru i ustaw menisk wody na poziomie „0”.

14. Powtórz tą czynność dla zbiornika tlenu.

15. Zakręć klipsy na obu zbiornikach

16. Ustaw pokrętło oporu zmiennego na wartość 10

Ω

. Włącz stoper. Zapisz napięcie elektrolizera i

natężenie prądu płynącego i przez elektrolizer. Tab.1.2.

17. Co 1 minutę odczytuj na skali cylindra objętość wodoru i tlenu i wpisuj odczytaną wartość do

Tab.1.2. Gdy objętość wodoru osiągnie 20 ml zapisz w tabelce czas tego zdarzenia i odpowiadającą

mu objętość tlenu.

18. Wyłącz elektrolizer i stoper.

19. Odkręć (ostrożnie) pokrętło klipsa na zbiorniku wodoru i ustaw menisk wody na poziomie „0”.

20. Powtórz tą czynność dla zbiornika tlenu. W razie konieczności uzupełnij ilość wody do

poziomu 0.

21. Kolejne ćwiczenie przeprowadź przy stałym czasie pomiaru t = 180 [s]. Dobierz wartość oporu

na zmiennym oporniku, tak aby wartość prądu płynącego przez elektrolizer wynosiła I = ok. 0.1 A,

0.3-0.4 A, 0.6-0.9 A, oraz ok. 1 A. Odczytaj objętości wydzielonego wodoru i tlenu wyniki zapisz

w Tab.1.3

Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

8

II Wyniki pomiarów i obliczenia

Tab.1.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa elektrolizera polimerowego

Opór

R [

Ω]

Ω]

Ω]

Ω]

Napięcie ogniwa

U [V]

Natężenie prądu

I [A]

0.00

0.00

0.01

Tab.1.2. Zależność objętości wydzielonego wodoru i tlenu od czasu elektrolizy

Czas

[s]

Objętość

H

2

[ml]

Objętość

O

2

[ml]

Napięcie

U [V]

Natężenie

I [A]

0

0

0

60

Tab.1.3. Zależność objętości wydzielonego wodoru od natężenia prądu elektrolizy

t = idem = 180 s

Natężenie

I [A]

Objętość

H

2

[ml]

Objętość

O

2

[ml]

III Opracowanie wyników:

1) Wykreśl zależność prądu płynącego przez elektrolizer od napięcia elektrolizera I = f(U).

(Tab.1.1.)

2) Wyznacz napięcie rozkładowe wody dla badanego układu elektrolizera.

Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

9

3) Wykreśl zależności objętości wodoru i tlenu w funkcji czasu elektrolizy: V

H

2

= f (t) oraz

V

O

2

= f (t) (Tab.1.2.)

4) Wyznacz współczynniki regresji liniowej V= a t dla wodoru i tlenu ( V = obj. gazu, t- czas

elektrolizy, a –współczynnik regresji) przechodzącej przez początek układu współrzędnych. Podaj

współczynnik korelacji i błąd współczynników nachylenia prostych.

5) Wykreśl zależności objętości wodoru i tlenu w funkcji natężenia prądu elektrolizy V

H

2

= f( I) .

(Tab.1.3.).

6) Wyznacz współczynniki regresji liniowej V= b I ( I- prąd elektrolizy, b –współczynnik regresji)

przechodzącej przez początek układu współrzędnych. Podaj współczynnika korelacji i błąd

współczynników nachylenia prostych.

6) Oblicz stosunki współczynników pochyleń otrzymane dla obydwu regresji. Objaśnij otrzymany

wynik.

7) Sprawdź zgodność otrzymanych wyników z prawami Faraday’a. w następujący sposób:

a) Teoria

I prawo Faraday’a.

m = k

t

I ⋅

⋅

gdzie m- masa wydzielonej substancji

II prawo Faraday’a

[ ]

[ ]

C

96484

F

C

k

R

F

c

=

⇒

=

[A

⋅

s]

gdzie Rc=

z

M

gramorównoważnik wydzielonej substancji (M

H2

= 2 g; z

H2

= 2; M

02

= 32 g; z

02

= 4)

M - masa molowa [g] (M

H2

= 2 g; M

02

= 32 g)

z - ładunek jonu (względem ładunku elektronu)-(z

H2

= 2; z

02

= 4)

Stąd, korzystając z praw gazu doskonałego, otrzymujemy:

Sprawdzenie:

F

z

V

t

I

V

2

H

m

teor

2

H

⋅

⋅

⋅

=

=

t

F

Z

V

I

m

⋅

⋅

⋅

=

theor

2

H

a

t

⋅

(1)

F

z

V

t

I

V

2

H

m

teor

2

H

⋅

⋅

⋅

=

=

I

F

Z

V

t

m

⋅

⋅

⋅

=

theor

2

H

b

I

(2)

gdzie t – czas tworzenia wodoru [s]

V

m

– objętość molowa substancji = 24000 ml; 22,4 dm

3

; 24 l/mol dla T=20

0

C

F – stała Faraday’a = 96484 [C/ mol] [ As/mol]

b) Oblicz współczynniki

theor

2

H

a

i

theor

2

H

b

.

Ć

wiczenie 1. Elektroliza.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

10

c) Na odpowiednie wykresy (punkty (3) oraz (5)) nanieść zależności (1) i (2) z obliczonymi

współczynnikami

theor

2

H

a

i

theor

2

H

b

i objaśnij otrzymany wynik.

d) Wykonaj powyższe obliczenia i sporządź wykresy dla tlenu.

8) Oblicz sprawność faradajowską elektrolizera

Sprawność faradajowska

η

F

jest to stosunek ilości otrzymanego wodoru, do ilości wodoru, jaka

powinna być otrzymana, gdy spełnione są prawa Faraday`a.

theor

2

H

exp

2

H

F

V

V

=

η

=

theor

2

H

.

exp

2

H

V

t

a

⋅

F

z

V

t

I

V

m

teor

H

⋅

⋅

⋅

=

2

=

t

F

Z

V

I

m

⋅

⋅

⋅

=

theor

2

H

a

t

⋅

theor

2

H

a

=

F

Z

V

I

m

⋅

⋅

teor

2

H

V

=

I

F

Z

V

t

m

⋅

⋅

⋅

ther

H

H

F

V

V

2

2

exp

=

η

=

theor

2

H

.

exp

2

H

theor

2

H

.

exp

2

H

a

a

t

a

t

a

=

⋅

⋅

gdzie

t – czas tworzenia wodoru [ s]

V

m

– objętość molowa substancji [ml/mol]

F – stała Faraday’a = 96484 [C

⋅

mol

-1

][A

⋅

s/mol]

Z – liczba jonów-2 (H

2

)

I – natężenie prądu przy którym tworzony jest wodór [A]

9) Oblicz sprawność energetyczną elektrolizera.

Sprawność energetyczna to stosunek energii zawartej w wygenerowanym wodorze, do energii

elektrycznej potrzebnej do jego wytworzenia.

t

I

U

V

H

exp

2

H

2

oH

E

⋅

⋅

⋅

∆

=

η

=

=

⋅

⋅

⋅

∆

t

I

U

t

a

H

exp

2

H

2

oH

I

U

a

H

exp

2

H

2

oH

⋅

⋅

∆

gdzie

∆

H

oH2

–wartość opałowa wodoru

∆

]

m

MJ

[

920

,

11

H

3

2

oH

−

⋅

=

,

V

exp

2

H

- rzeczywista ilość otrzymanego wodoru [m

3

] lub [ml]

10) Przedyskutuj otrzymane wyniki.