background image

 
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.

 

background image

 
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

 

background image

 
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.

  

background image

 
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. 

background image

 
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. 

Wypływ gazów 

 

background image

 
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 

background image

 
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

, (b) 10 k

 i (c) 5 k

 

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

. 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 

background image

 
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] 

 

 

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. 

background image

 
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

 

 

 

 

 

(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

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

b) Oblicz współczynniki 

theor

2

H

a

 i 

theor

2

H

b

background image

 
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

 

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.