background image

Politechnika Łódzka 

Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony  Środowiska 

 

 

Katedra Inżynierii Molekularnej 

 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

Instrukcja do ćwiczeń z przedmiotu: 

Energia ze źródeł niekonwencjonalnych 

 

 

 
 

 

 
 

 

 
 
 

Ćwiczenie nr 1 

 

Wytwarzanie wodoru w procesie elektrolizy wody 

 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 

 

Opracował: mgr inż. Przemysław Makowski 

 

Zatwierdził: prof. dr hab. inż. Jacek Tyczkowski 

 

 

 
 

Łódź 2012

background image

 
 

 

1.   CEL ĆWICZENIA 

 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z  procesem  elektrolizy  wody  i  budową  elektrolizera  typu  PEM  oraz 

przebadanie  procesu  wytwarzania  wodoru  z  wody  na  elektrolizerze  typu  PEM.  Źródłem  prądu  stałego  będzie 

bateria fotowoltaiczna oraz zasilacz o stałym napięciu. Przebadana zostanie stechiometria powstawania wodoru 

i tlenu w procesie rozkładu wody. Sporządzona zostanie charakterystyka napięciowo–prądowa elektrolizera 

PEM 

oraz 

określona 

zostanie 

teoretyczna 

rzeczywista 

ilość 

produkowanego 

wodoru  

na  elektrolizerze, czyli  tzw.  wydajność Faradaya oraz wydajność energetyczna produkowanego w ten sposób 

wodoru. 

 

2.   WSTĘP TEORETYCZNY 

 

Elektrolizę  można  zdefiniować  jako  szereg  reakcji  utleniania  i  redukcji  wywołanych  przepływem  prądu 

elektrycznego  pomiędzy  elektrodami  zanurzonymi  w  roztworach  elektrolitów  (lub  ich  formach  stopionych). 

Elektrody  połączone  są  obwodem  z  zewnętrznym  źródłem  prądu.  Elektroliza  jest  procesem  niesamorzutnym, 

więc wymuszana jest poprzez przepływ prądu. 

Elektrolizę  realizuje  się  w  urządzeniach  zwanych  elektrolizerami.  Klasyczne  elektrolizery  składają  się  

z  dwóch  elektrod  połączonych  ze  sobą  przewodem  elektrycznym  z  wpiętym  w  niego  źródłem  prądu  stałego  

o określonym napięciu powodującym powstanie różnicy potencjałów na  elektrodach. Obie  elektrody zanurzane 

są w  tym  samym  roztworze  zawierającym  jony  (zwanym  elektrolitem),  zamykając  w  ten  sposób  obwód 

elektryczny. Elektrody nazywane są odpowiednio katodą (połączona jest ona z ujemnym biegunem źródła prądu) 

i  anodą (połączona jest ona z dodatnim biegunem źródła prądu). Ruch elektronów od anody do katody odbywa 

się zewnętrznym przewodem elektrycznym łączącym elektrody. Kationy w roztworze poruszają się natomiast w 

kierunku elektrody zwanej katodą, a ujemnie naładowane aniony przesuwają się  w stronę dodatnio naładowanej 

elektrody  zwanej  anodą.  Katoda  dostarcza  elektrony  kationom,  które  przyłączają  elektrony  (zachodzi  reakcja 

redukcji)  i  przechodzą  w  stan  atomowy  (gaz  lub  ciało  stałe).  Anoda  odbiera  elektrony  od  anionów  (zachodzi 

reakcja  utlenienia),  które  przechodzą  również   w   stan   atomowy  lub   cząsteczkowy  (gaz  lub   ciało   stałe). 

Schematycznie proces elektrolizy przedstawiony został na rysunku 1. 

 

 

 

Ważną    częścią    elektrolizerów  jest    roztwór    elektrolitu.    Rozróżnia  się    elektrolity  właściwe    i    elektrolity 

potencjalne.  Elektrolity  właściwe  to  substancje  o  cząsteczkach  zbudowanych  z  jonów  (np.  NaCl,  NaOH),  

w  których  po  wprowadzeniu  do  rozpuszczalnika  następuje  dysocjacja  wszystkich  wiązań  jonowych  połączona  

z solwatacją  jonów  (dysocjacja  jonowa).  Natomiast  elektrolity  potencjalne  to  związki,  w  których  występują 

background image

 

N

at

ę

że

n

ie

 p

d

u

 I 

[m

A

] 

spolaryzowane   wiązania   kowalencyjne,   ulegające   dysocjacji   na   jony   dopiero   w   wyniku   chemicznego 

 

oddziaływania z polarnymi cząsteczkami rozpuszczalnika (np. HCl, CH

3

COOH). 

 

Wydzielanie  się  produktów  elektrolizy  ma  miejsce  dopiero  wtedy,  gdy  przyłożona  różnica  potencjałów 

pochodząca od  zewnętrznego źródła  przekracza  wartość  zwaną  napięciem rozkładowym U

rozkł

.  Na  rysunku  2 

została  przedstawiona  zależność  między  przyłożonym  napięciem  a  otrzymanym  natężeniem  prądu  podczas 

prowadzenia elektrolizy. 

 

 

 

 

 

2 

 

 

1 

 

U

rozkł 

Napięcie U [V] 

 

Rys. 2. Natężenie prądu w funkcji napięcia podczas procesu elektrolizy. 

 

 

W  etapie  początkowym (etap  1,  rys.  2)  wzrost  napięcia  nie  powoduje powstawania produktów elektrolizy. 

Ma  to  związek  z  tym,  że  katoda  i  anoda  pokrywają  się  warstewkami  produktów  elektrolizy.  Wydzielone 

produkty elektrolizy powodują powstanie na  elektrodach siły elektromotorycznej SEM,  skierowanej przeciwnie 

do  przyłożonego napięcia. Dopiero kiedy przyłożone do  elektrod elektrolizera napięcie  (U

rozkł

)  jest  co  najmniej 

równe,  a  w  praktyce  nieco  większe  od  siły  elektromotorycznej  utworzonej  na  elektrodach  elektrolizera, 

obserwujemy proces  elektrolizy i  stopniowy  wzrost  natężenia prądu  wraz  ze  wzrostem  napięcia  powyżej  U

rozkł 

(etap  2,  rys.2).  W  praktyce  wartość  napięcia  rozkładowego  U

rozkł.   

powiększana      jest  o  tzw.  nadnapięcia   

na  elektrodach  oraz  spadek  napięcia  związany  z  oporem  elektrolitu  i  dopiero  wtedy  określa  się  je  napięciem 

rozkładowym,   przy  którym  proces  elektrolizy  zachodzi  z  optymalną  prędkością.  Przy  napięciu  rozkładowym 

nie powiększonym o nadnapięcie proces elektrolizy będzie zachodził, ale bardzo wolno. Na wartość nadnapięcia 

wpływają: 

     materiał elektrody oraz stan jej powierzchni, 

 

     gęstość prądu, 

 

     składu roztworu elektrolitu, 

 

     temperatura. 

 

Wielkość napięcia rozkładowego niezbędnego do przeprowadzenia jonów różnych pierwiastków w obojętne 

atomy    zależy    od    położenia    pierwiastka    w    szeregu    napięciowym.  Ta    właściwość    jest    wykorzystywana   

do elektrolitycznego rozdzielenia metali. 

Elektrolizę opisują dwa prawa zwane prawami elektrolizy Faraday’a

 

I prawomasa substancji wydzielonej na elektrodzie w wyniku procesu elektrolizy jest wprost proporcjonalna  

do ładunku przepływającego przez elektrolit:

background image

 
 

 

m = k · I · t = k · Q 

 

gdzie: 

 

k - równoważnik elektrochemiczny [g/C], 

I - natężenie prądu [A], 

t - czas trwania elektrolizy [s], 

 

m - masa substancji wydzielonej na elektrodzie [g], 

Q - ładunek elektryczny [C]. 

 

II  prawo:  stosunek  mas  substancji  wydzielonych  na  elektrodach  podczas  przepływu  jednakowych  ładunków 

elektrycznych  jest  równa  stosunkowi  ich  równoważników  elektrochemicznych  i  stosunkowi  ich  mas 

równoważnikowych : 

 

m

1    

=

  

k

1    

=

  

R

 

 

gdzie: 

m

2          

k

2          

R

2

 

m

1

, m

– masy substancji wydzielonych na elektrodach [g], 

k

1

, k

- równoważnik elektrochemiczne substancji [g/C], 

R

1

, R

– masy równoważnikowe [g/mol]. 

 

 

Z  praw  Faradaya  można  wywnioskować,  że  do  wydzielenia  jednego  gramorównoważnika  dowolnej 

substancji    potrzebny    jest    ten    sam    ładunek.    Ładunek    ten    nosi    nazwę    stałej    Faradaya    i    wynosi   

F=96485 C/mol. Wstawiając tę  wartość do  wzoru z I  prawa Faradaya  w  miejsce ładunku Q,  a  w  miejsce  masy 

m – masę jednego gramorównoważnika m=M/z, otrzymuje się: 

 

 

 
 
 

zatem I prawo Faradaya można zapisać jako: 

=

 

  M   , 

z·F

 

 

=

 

  M  

 I·

z·

 

 

  a z tego wynika wzór: 

 

Q = n · z · F 

 

 

 

  

 

gdzie: 

 

M – masa molowa substancji wydzielonej na elektrodzie [g/mol],  

n – liczba moli substancji wydzielonej na elektrodzie [mol], 

F – stała Faradaya [C/mol], 

z – liczba elektronów biorąca udział w reakcji, w której powstaje 1 mol substancji o masie molowej M. 

 

 

W praktyce obserwuje się wydzielanie mniejszej masy produktów niż wyliczona na podstawie prawa 

 

Faradaya. Przyczynami tego mogą być: 

 

  

nieuwzględnienie w obliczeniach reakcji ubocznych (jednoczesne wydzielanie na elektrodzie dwóch 

lub więcej produktów elektrolizy), 

     reakcje wtórne pomiędzy produktami elektrolizy a otoczeniem.

background image

 

 

 
 
 

Stosunek wydzielonej masy m rozpatrywanego produktu elektrolizy do masy wyliczonej z prawa Faradaya m

 

nazywa się wydajnością prądową elektrolizy. Wielkość tę mnoży się przez 100 % i wyraża w procentach. 

 

Elektroliza jest procesem stosowanym na skalę przemysłową m.in. do: 

 

     produkcji metali: aluminium, litu, sodu, potasu, 

 

  

produkcji rozmaitych związków chemicznych, w tym kwasu trifluorooctowego, wodorotlenku sodu  

i potasu, chloranu sodu i chloranu potasu, 

     produkcji gazów: wodoru, chloru i tlenu, 

 

     galwanizacji - pokrywanie cienką warstwą metalu innego metalu. 

 

 

Elektroliza  wody  to  proces  rozkładu  wody  na  wodór  i  tlen  na  skutek  działania  prądu  elektrycznego. 

Zazwyczaj    nie    stosuje    się    w    elektrolizie    czystej    wody,    ze    względu    na    stosunkowo    małą    zdolność   

do  przewodzenia  prądu  (mała  wartość  stopienia  dysocjacji  wody,  co  powoduje  małą  ilość  jonów    H

i  OH

− 

duże  straty  energii  elektrycznej  związane  z  wysokim  oporem).  Można  używać  wodnych  roztworów 

wodorotlenków,  kwasów  lub  soli,  ale  w  praktyce  stosuje  się  wyłącznie  wodne  roztwory  tych  pierwszych 

(wodne  roztwory  kwasów  powodują  korozję  elektrod,  a  wodne  roztwory  soli  maja  niższą  przewodność 

właściwą). Zastosowanie w elektrolizie wody najczęściej znajdują roztwory NaOH (16-18%) i  KOH (25-29%). 

Należy pamiętać, że nie wszystkie elektrolity nadają się do wytwarzania wodoru. 

W  przypadku  elektrolizy  wodnych  roztworów  o  pH  >7,  np.  roztworów  wodnych  NaOH,  na  elektrodach 

 

aparatu zachodzą następujące reakcje: 

Katoda (-):   4 H

2

O + 4 e

−   

=  2 H

+  4 OH

− 

Anoda (+):  4 OH

−  

=  4 e

−   

+  O

2   

+  2 H

2

Sumarycznie: 2H

2

O → 2H

+ O

Na  katodzie  powstaje  wodór  o  wysokiej  czystości.  W  przypadku  roztworów  o  pH  <  7      źródłem  protonów 

redukujących się  na  katodzie  jest  woda  utleniająca się  na  anodzie. Podczas utleniania  wody na  anodzie  oprócz 

powstających protonów wydziela się  również tlen.  Przy pH  =  7  źródłem   protonów jest także  woda  utleniająca 

się na anodzie z wydzieleniem tlenu. Na katodzie natomiast woda jest redukowana, powstają jony hydroksylowe 

z jednoczesnym wydzieleniem wodoru. 

Teoretyczna  minimalna  wartość  napięcia  rozkładu  (przy  pH  =  14,  nie  uwzględniając  nadnapięć  i  spadku 

napięcia  na  elektrolicie)  potrzebna  do  zainicjowania  procesu  elektrolizy  wody  wynosi  1,23  V.  W  praktyce 

stosuje się wyższe napięcia w celu przyspieszenia procesu powstawania wodoru i tlenu. 

 

 

Zasadniczą  częścią  elektrolizera  typu  PEM  jest  zespół  dwóch  elektrod  (anody  i  katody),  wykonanych  

z  materiałów  o  właściwościach  katalitycznych,  przedzielonych  cienką  membraną  polimerową  przewodzącą 

protony,  tj.  jony  H

+   

–  pełniącą  funkcję  elektrolitu.  Budowa  i  zasada  działania  elektrolizera  typu  PEM  oraz 

zachodzących w nim reakcji na anodzie i katodzie przedstawia rysunek 3. Na anodzie zachodzi proces utleniania 

wody, podczas którego powstają cztery protony i jedna cząsteczka tlenu, z jednoczesnym wydzieleniem czterech 

elektronów. Protony te  przechodzą przez  polimerową  membranę  i  trafiają  na  katodę,  elektrony  pochodzące od 

zewnętrznego źródła obwodem również trafiają na katodę, gdzie łącząc się z protonami (reakcja redukcji) tworzą 

dwie cząsteczki wodoru. Sprawność tego typu elektrolizerów wynosi ok. 85%. 

background image

 
 

 

 

 

Rys.3 Budowa i zasada działania elektrolizera typu PEM. 

 

Źródło: P.Grygiel, H.Sadowski „Laboratorium Konwersji Energii”, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej 

Politechnika Gdańska 2006. 

Elektrolizery  typu  PEM  dzięki  elektrolitowi  w  postaci  ciała  stałego  charakteryzują  się  prostą  i  zwartą 

budową.  Ze  względu  na  pracę  w  niskich  temperaturach  (np.  w  temperaturze  pokojowej),  wymagają  one 

stosowania  katalizatora  reakcji  (np.  platyny).  Cienka  folia  przewodząca  protony  (PEM)  wytwarzana  jest  

z  użyciem  sulfonowanych  fluoropolimerów.  PEM  wytwarza  się  z  polietylenu  (PTE),  w  którym  następnie 

zastępuje  się  wodór  fluorem,  tworząc  politetrafluoroetylen  –  PTFE  (zwyczajowo  zwany  Teflonem).  Jest  

on  wytrzymały  mechanicznie  i  odporny  na  działanie  agresywnych  związków  chemicznych  oraz  silnie 

hydrofobowy.  Następnie  PTFE  poddaje  się  sulfonowaniu,  które  polega  na  dołączeniu  bocznego  łańcucha, 

zakończonego  grupą  sulfonową  –SO

3

H  (przykładowa  struktura  PEM  –  rys.4).    Wodór  w  grupie  –SO

3

H  jest 

związany  jonowo.  Zakończeniem  bocznego  łańcucha  jest  więc  na  stałe  przyłączony  do  niego  jon  –SO

3

–    

i  jonowo  związany  z    nim  jon  H

+

.  Cząsteczki  łańcuchów bocznych  dążą  do  tworzenia  klasterów  wewnątrz 

struktury  materiału.  Grupy  sulfonowe  są  wysoce  hydrofilowe.  Zatem  membrana  PEM  jest  materiałem 

hydrofobowym  (PTFE)  z  lokalnymi  obszarami  hydrofilowymi  wokół  klasterów  sulfonowanych  łańcuchów 

bocznych.  Obszary  hydrofilowe  charakteryzują  się  tym,  że  silnie  pochłaniają  wodę.  Wewnątrz  nawodnionych 

regionów,    jony  H

są  stosunkowo  słabo  związane  z  jonami  –SO

3

–   

i  możliwy  jest  ich  ruch  –  jak   

w  przypadku  wodnego  roztworu  kwasu.  W  rezultacie  możemy  mówić  o  kwaśnych  obszarach  w  silnie 

hydrofobowej strukturze membrany. Typowa wartość przewodności osiągana przez nawodnione membrany PEM 

to około 0,1 S · cm

−1

 

 

Rys.4. Przykładowa struktura PEM.

background image

 
 

 

3.   PRZEBIEG ĆWICZENIA 

 

Ć

wiczenie składa się z trzech części: 

 

 

1.  Pomiar  ilości  powstającego  wodoru  i  tlenu  podczas  rozkładu  wody  na  elektrolizerze 

PEM  z użyciem ogniwa fotowoltaicznego jako źródła stałego napięcia. 

 

Przyrządy: 

 

- elektrolizer PEM 0-2 V, 
- dwa zbiorniki z podziałką max. 30 cm

(na wodór i tlen), 

- ogniwo fotowoltaiczne do 2V, 
- źródło światła (lampa halogenowa OSRAM HALOPAR 30 75W), 
- multimetr (woltomierz/amperomierz), 
- przewody elektryczne i węże z tworzywa. 

 

 

Wykonanie: 

 

a.  Za  pomocą  czterech  węży  z  tworzywa  połączyć  górne  i  dolne  wyjścia  z  elektrolizera  PEM  

z  odpowiadającymi  im  wyjściami  obu  zbiorników  do  gromadzenia  wodoru  i  tlenu.  Umieścić  dwa 
węże z tworzywa z drugiej strony obu zbiorników – tzw. węże wylotowe (po jednym na zbiornik), 
następnie  nałożyć  na  nie  opaski  zaciskowe  i  zamknąć  delikatnie  (według  rysunku  5).  Nalać  wodę 
destylowaną  do  obu  zbiorników  do  górnego  poziomu  zaznaczonego  na  zbiornikach,  otworzyć 
klamrę  zaciskową  –  wraz  ze  spadkiem  poziomu  wody  następuje  usuwanie  powietrza  z  obu 
zbiorników.  Woda  powinna  dostać  się  również  na  elektrolizer  PEM.  Zamknąć  klamry,  poziom 
wody w obu zbiornikach powinien znajdować się na poziomie 0 cm

3

 

 

 

 

Rys. 5. Schemat połączenia elektrolizera PEM ze zbiornikami do gromadzenia wodoru i tlenu. 

 

b.  Do  elektrolizera  PEM  podłączyć  źródło  zasilania  –  ogniwo  fotowoltaiczne  (zgodnie  z  opisami 

biegunów  znajdującymi  się  na  elementach)  -  układ  powinien  mieć  konfigurację  jak  na  rys.  6. 
Lampę  halogenową  umieścić  w  odległości  kilkunastu  centymetrów  od  ogniwa 
fotowoltaicznego.  Poprosić  prowadzącego  o  sprawdzenie  poprawności  złożenia  układu. 
Włączyć    lampę    halogenową    oświetlającą  ogniwo    fotowoltaiczne.  Od  tego  momentu  powinno 
zostać zaobserwowane  wydzielanie wodoru i  tlenu. Zaraz po rozpoczęciu eksperymentu podłączyć 
do  ogniwa  fotowoltaicznego  woltomierz  i  sprawdzić  wartość  napięcia  (jego  wartość  powinna 
wynosić  od  1,6  V  do  1,8  V).  Następnie  odłączyć  ostrożnie  woltomierz  i  nie  zmieniać  położenia 
lampy  halogenowej  i  ogniwa  fotowoltaicznego  względem  siebie  do  końca  eksperymentu.

background image

 
 
 
 

 

 

Rys. 6. Schemat podłączenia baterii fotowoltaicznej i układu elektrolizera typu PEM. 

 

 

c.  Gdy w  zbiorniku,  w którym  gromadzi się  wodór zostanie osiągnięta wartość 10  cm

(ok. 20  min), 

szybko  odłączać  ogniwo  od  elektrolizera  PEM  oraz  zgasić  lampę,  jednocześnie spisując  objętość 
uzyskanego tlenu ze  zbiornika z  tlenem  oraz objętość  wodoru  ze  zbiornika z  wodorem.  Następnie 
odłączyć  źródło  zasilania,  otworzyć  klamrę  zaciskową  na  wężu  wylotowym  -  najpierw  jedną, 
odczekać  chwilę  do  momentu  usunięcia  całej  objętości  jednego  z  gazów  i  zamknąć,  operację 
powtórzyć  dla  zbiornika  z  drugim  gazem.  Przed  przystąpieniem  do  kolejnej  części  ćwiczenia 
zadbać, aby w wężach prowadzących do zbiorników nie zalegał wodór i tlen. 

 
 

2.    Wyznaczenie charakterystyki napięciowo–prądowej elektrolizera PEM. 

 

Przyrządy: 

 

- elektrolizer PEM 0-2 V, 
- dwa zbiorniki z podziałką max. 30 cm

(na wodór i tlen), 

- ogniwo fotowoltaiczne do 2V, 
- zasilacz 2V (bateria), 
- źródło światła (lampa halogenowa OSRAM HALOPAR 30 75W), 
- dwa multimetry (woltomierz/amperomierz), 
- rezystor nastawny, 
- przewody elektryczne i węże z tworzywa. 

 

Wykonanie: 

 

a.  Złożyć układ według schematu elektrycznego zamieszczonego na rys. 7. Jako źródło napięcia użyć 

zasilacza  2  V.  Rezystor    nastawny    nastawić    na    opór    nieskończenie    duży    (symbol    ∞).   
Do  elektrolizera  PEM  podłączyć  za  pomocą  węży  zbiorniki  na  tlen  i  wodór.  Zacisnąć  węże 
wylotowe z obu  zbiorników za  pomocą  klamer  zaciskowych.  Zalać  zbiorniki  woda  według  zasad  
z  pierwszej części ćwiczenia.  Poprosić  prowadzącego  o  sprawdzenie  poprawności  złożenia 
układu.

background image

 
 

 

 

Rys. 7. Schemat podłączenia układu do wyznaczenia charakterystyki napięciowo-prądowej 

elektrolizera. 

 

b.  Po  złożeniu  układu,  załączyć  zasilanie  i  zacząć  kolejno  zmniejszać  opór  na  rezystorze 

nastawnym. Po  każdej  zmianie oporu  spisać  z  multimetrów  wartości  napięcia  i  odpowiadające 
mu    wartości  natężenia  prądu.  Obserwować  zmianę  szybkości  powstawania  wodoru  i  tlenu  wraz  
ze  zmianą  zadanego  oporu.  Sporządzić  tabelę  wyników,  w  której  umieszczone  będą  nastawione 
wartości  oporu  elektrycznego,  wartości  napięcia  i  natężenia  prądu.  Zaznaczyć  w  tabeli  wartość 
napięcia, przy którym zaobserwowano przepływ prądu. 

 

c.  Tę  sama  procedurę  przeprowadzić  z  użyciem  ogniwa  fotowoltaicznego  jako  źródło  zasilania. 

Podobnie  jak  w  poprzednim  ćwiczeniu  zaraz  po  rozpoczęciu  eksperymentu  podłączyć  do  ogniwa 
fotowoltaicznego woltomierz i sprawdzić wartość napięcia (od 1,6 V do 1,8 V). Następnie odłączyć 
ostrożnie  woltomierz  i  nie  zmieniać  położenia  lampy  halogenowej  i  ogniwa  fotowoltaicznego 
względem siebie do końca eksperymentu.  

 

d.  Następnie  odłączyć  źródło  zasilania,  otworzyć  klamrę zaciskową  na  wężu  wylotowym  - najpierw 

jedną, odczekać chwilę do momentu usunięcia całej objętości jednego z gazów i zamknąć, operację 
powtórzyć  dla  zbiornika  z  drugim  gazem.  Przed  przystąpieniem  do  kolejnej  części  ćwiczenia 
zadbać, aby w wężach prowadzących do zbiorników nie zalegał wodór i tlen. 

 

 
 

3.    Określenie wydajności energetycznej i wydajności Faradaya (prądowej) elektrolizera 
PEM.
 

  

Przyrządy: 

 

- elektrolizer PEM 0-2 V, 
- dwa zbiorniki z podziałką max. 30 cm

(na wodór i tlen), 

- ogniwo fotowoltaiczne do 2V, 
- źródło światła (lampa halogenowa OSRAM HALOPAR 30 75W), 
- dwa multimetry (woltomierz/amperomierz), 
- czasomierz/stoper, 
- przewody elektryczne i węże z tworzywa. 

 

 

Wykonanie: 

 

 

a.  Złożyć układ według schematu elektrycznego zamieszczonego na rys. 8. Jako źródło napięcia użyć 

ogniwa  fotowoltaicznego.  Lampę  halogenową,  po  ustalaniu  jej  odległości  od  baterii 
fotowoltaicznej  (wartość  napięcia  1,6  V  –  1,8  V),  wyłączyć  oraz  odłączyć  jeden  z  przewodów 
elektrycznych łączący baterie fotowoltaiczną z układem. Następnie do elektrolizera PEM podłączyć 
za pomocą węży zbiorniki na tlen i  wodór. Zacisnąć węże  wylotowe z  obu zbiorników za pomocą 
klamer  zaciskowych.  Zalać  zbiorniki  woda  według  zasad  z  pierwszej  części  ćwiczenia. 

background image

10 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 8. Schemat podłączenia układu do wyznaczenia wydajności energetycznej i wydajności Faradaya 

elektrolizera PEM. 

 

b.  Włączyć lampę  halogenową. Podłączyć ponownie ogniwo  fotowoltaiczne do  układu   jednocześnie 

uruchamiając  stoper.  Notować  czasy,  dla  których  objętość  wodoru  w  zbiorniku  będzie  osiągać 

kolejno  wartości  5,  10,  15,  20,  25,  30  cm

3   

oraz  wartości  napięcia  i  natężenia  prądu.  Sporządzić 

tabelę  wyników,  w  której  podane  będą  kolejno:  objętości  wodoru  w  zbiorniku;  czas,  dla  którego 
zostały  osiągnięte  te objętości;  wartości  napięcia  i  natężenia  prądu  dla  tych  objętości wodoru. 

 
c.  Po  zakończeniu  ćwiczenia  odłączyć  źródło  zasilania,  otworzyć  klamrę  zaciskową  na  wężu 

wylotowym  -  najpierw  jedną,  odczekać  chwilę  do  momentu  usunięcia  całej  objętości  jednego  
z  gazów  i  zamknąć,  operację  powtórzyć  dla  zbiornika  z  drugim  gazem.  Wylać  wodę  
ze zbiorników i elektrolizera PEM – poprzez węże wylotowe. 

 

 
 

4.   OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA 

 

 

4.1  CEL ĆWICZENIA 

 

Zdefiniować cel ćwiczenia. 

 

 

4.2  METODYKA POMIARÓW 

 

Zamieścić  opis  metodyki  pomiarów  dla  każdej  z  części  ćwiczenia.  Umieścić  schematy  połączeń 
układów wraz z opisem elementów oraz określić mierzone wartości dla każdej z części. 

 

4.3  WYNIKI POMIARÓW 

 

Umieścić wyniki i tabele pomiarów dla każdej z części wraz z prawidłowymi jednostkami. 

 

 

4.4  OPRACOWANIE WYNIKÓW 

 

Tam, gdzie to konieczne przyjąć, że ciśnienie w laboratorium wynosi p = 1000 hPa, a temperatura 
T=25

o

C. 

 

 

Część 1. 

 

Określić  stosunek  uzyskiwanego  wodoru  do  tlenu  na  podstawie  zmierzonych  wartości.  Obliczyć 
ilość moli uzyskanego wodoru i tlenu. 

 

Część 2. 

 

Na  podstawie  zgromadzonych  danych  sporządzić  wykresy  charakterystyki  napięciowo–prądowej 
elektrolizera PEM  (I  =  f(U))  dla  źródła  zasilania  w  postaci  zasilacza  i  ogniwa  fotowoltaicznego. 
Określić  napięcie  rozkładu  na  obu  wykresach,  a  następnie  wyliczyć  średnie  napięcie  rozkładu.

background image

11 

 

 

 
 
 

Część 3. 

 

Na podstawie zgromadzonych danych sporządzić wykres  uzyskanych objętości wodoru w funkcji 
czasu (V

H2 

= f(t)) dla danej mocy uzyskiwanej na elektrolizerze. 

Wyznaczyć  wartość  mocy  w  każdym  punkcie  pomiarowym  oraz  określić  średnią  moc  podczas 
całego pomiaru. 

 

Obliczyć: 

1.

 

Wydajność energetyczną:  

 
 

 

 

 

 

gdzie: 
E

wodoru 

-  energia, jaką uzyskałoby się ze spalenia 30 cm

wyprodukowanego wodoru 

 na elektrolizerze PEM [J],  
wartość opałowa wodoru: 12,745*10

6

 J/m

3

E

elektr 

-  energia wykorzystana do uzyskania 30 cm

wodoru na elektrolizerze PEM [J]. 

 

2.

 

Wydajność Faradaya (prądową): 
 

 

 

 

 

gdzie: 

3

 

V

H

2

(wyprodukowana)   

– objętość wodoru   równa 30 cm

3

,  wyprodukowana na elektrolizerze PEM  w 

czasie  określonym podczas  ćwiczenia  i  przy  danej  wartości  prądu  elektrycznego oraz  danych 
warunkach  ciśnienia i temperatury [cm

3

], 

V

H

2

(obliczona)  

–  teoretyczna  objętość  wodoru,  która  powinna  zostać  wyprodukowana  w  tym 

samym czasie w procesie elektrolizy wody przy tych samych wartościach prądu elektrycznego, 
ciśnienia i temperatury [cm

3

]. 

 

W celu określenia wartości   V

H

2

(obliczona) 

wykorzystać należy równanie stanu gazu doskonałego 

(Clapeyrona), podstawiając do niego odpowiednio przekształcone pierwsze prawo Faradaya: 

 

=

 

  M  

 It 

zF 

 

(opis oznaczeń znajduje się w części teoretycznej).

 

 
 

4.5.   WNIOSKI 

 

Sformułować odpowiednie wnioski do każdej z części ćwiczenia. 

=

(

)

(

)

 

=

  !"