LABORATORIUM KONWERSJI ENERGII

Ćwiczenie 1	ELEKTROLIZA WODY			SPRAWOZDANIE
Nr zespołu:	Wydział, rok, grupa: WEiP, III, 2			Data: 19.11.2011 r.
Nazwisko i Imię:	Ocena:
		Teoria	Wykonanie ćwiczenia	Końcowa z ćwiczenia
1. Musiał Michał
2. Nowak Mateusz
3. Mateusz Rachwał

1. Cel ćwiczenia.

Celem wykonania ćwiczenia było zapoznanie się z prawami Faraday'a oraz potwierdzenie ich na podstawie wyników pomiarów przy elektrolizie wody w elektrolizerze polimerowym.

W pierwszej części ćwiczenia wykonywaliśmy pomiary napięcia ogniwa i natężenia prądu (przy zmieniającym się oporze), aby wykreślić charakterystykę prądowo-napięciową elektrolizera i wyznaczyć napięcie rozkładu.

W drugiej części przy zadanym natężeniu prądu i napięciu ogniwa, w równych odstępach czasu (co minutę) mierzyliśmy objętości wydzielonych gazów (tlenu i wodoru). Na podstawie tych danych wyznaczyliśmy zależności V_H2=f(t) oraz V_O2=f(t).

W części trzeciej zmieniając natężenie płynącego prądu (poprzez zmianę oporu), w stałym odcinku czasowym, mierzyliśmy objętości wydzielonych gazów (tlenu i wodoru), by na podstawie otrzymanych danych wyznaczyć charakterystyki V_H2=f(I) oraz V_O2=f(I).

2. Opracowanie wyników.

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

Opór [Ω]	Napięcie ogniwa U[V]	Natężenie prądu I[A]
∞	0	0
33000	0,45	0
10000	0,517	0
5000	0,64	0
1200	1,216	0,01
100	1,515	0,04
47	1,545	0,08
10	1,671	0,33
8,2	1,708	0,4
6,2	1,759	0,5
3,9	1,98	0,72

2. Odczytanie napięcia rozkładowego wody dla badanego układu elektrolizera.

Napięcie rozkładowe (U_rokł) jako punkt, od którego przykładanie większego napięcia powoduję znaczący przyrost prądu płynącego w elektrolizerze można odczytać z wykresu. Dla naszego elektrolizera U_rokł = 1,515 [V].

3. Wykres zależności objętości wodoru i tlenu w funkcji czasu elektrolizy V_H2=f(t) oraz V_O2=f(t).

Czas [s]	Objętość H2 [ml]	Objętość O2 [ml]	Napięcie U [V]	Natężenie I [A]
0	0,0	0,0	1,669	0,33
60	4,0	2,0	1,647
120	6,0	3,0	1,648
180	8,0	4,0	1,648
240	11,0	5,5	1,648
300	14,0	7,0	1,648
360	16,0	8,0	1,648
420	18,5	9,25	1,648
450	20,0	10,0	1,648

4. Współczynniki regresji liniowej V=at dla wodoru i tlenu. Współczynniki korelacji.

Wartości współczynników regresji liniowej a odpowiednio dla wodoru i tlenu wynoszą a_H2=0,0430 ( u(a)=0,001) oraz a_O2=0,0215 ( u(a)=0,0005).

Współczynnik korelacji dla V(O₂) i V(H₂) wynosi 1 co oznacza, że zmienne te są wielce współzależne.

5. Zależność objętości wodoru i tlenu w funkcji natężenia prądu elektrolizy V_H2=f(I) oraz V_O2=f(I).

Natężenie I[A]	Objętość H2 [ml]	Objętość O2 [ml]
0,08	1	2
0,32	4	8
0,72	10	20

6. Współczynniki regresji liniowej V=bI dla wodoru i tlenu. Współczynniki korelacji.

Wartości współczynników regresji liniowej b odpowiednio dla wodoru i tlenu wynoszą b_H2=27,8 ( u(b)=0,92) oraz b_O2=13,9 ( u(b)=0,46).

Współczynnik korelacji dla V(O₂) i V(H₂) wynosi 1 co oznacza, że zmienne te są wielce współzależne.

7. Stosunki współczynników pochyleń otrzymane dla obydwu regresji i ich analiza.

Współczynniki regresji dla obydwu wykresów wynoszą:

a_H2=0,0430 b_H2=27,8

a_O2=0,0215 b_O2=13.9

Stosunki
oraz
wynoszą odpowiednio 2,00 oraz 2,00. Ich wartość odzwierciedla nam i potwierdza rzeczywisty stosunek objętości wydzielonego wodoru do wydzielonego tlenu podczas elektrolizy wody, który powinien być równy 2.

8. Sprawdzenie zgodności otrzymanych wyników z prawami Faraday'a

Korzystając z I prawa Faraday'a, które mówi:

, gdzie m to masa wydzielonej substancji, I natężenie prądu, a t czas

oraz II prawa Faraday'a:

,

gdzie
- gramorównoważnik wydzielonej substancji, a:

M - masa molowa [g] (M_H2=2 [g/mol]; M_O2=32[g/mol];

z - ładunek jonu względem ładunku elektronu (z_H2=2; z_O2=4)

otrzymujemy wzory na teoretyczną objętość wydzielonego w elektrolizie gazu:

gdzie:

t - czas tworzenia wodoru [s]

V_m - objętość molowa substancji = 24000 ml; 22,4 dm³; 24 l/mol dla T=20⁰C

F - stała Faraday'a = 96484 [C/mol] [As/mol]

Korzystając z pomiarów dokonanych w punkcie trzecim i czwartym oraz powyższych wzorów możemy wyznaczyć współczynniki a_H2teor. i a_O2teor oraz b_H2teor. i b_O2teor.

b) Współczynniki a_H2teor. i a_O2teor.

Obliczamy je dla stałego natężenia prądu I = 0,33 [A]

t [s]	VH2teor. [ml]	VH2dośw. [ml]
0	0	0
60	2,46	4
120	4,93	6
180	7,39	8
240	9,85	11
300	12,31	14
360	14,78	16
420	17,24	18,5
450	18,47	20

a_H2teor= 0,041

t [s]	VO2teor. [ml]	VO2dośw. [ml]
0	0	0
60	1,23	2
120	2,46	3
180	3,69	4
240	4,93	5,5
300	6,16	7
360	7,39	8
420	8,62	9,25
450	9,23	10

a_O2teor=0,0205

Po obliczeniu V_teor. dla wodoru i tlenu, dla zależności od czasu, na wykres z punktu 3 naniesiono odpowiednie funkcje, celem porównania wartości doświadczalnych z wartościami teoretycznymi. Po analizie tego wykresu można stwierdzić, że ćwiczenie zostało wykonane poprawnie, gdyż wartości doświadczalne praktycznie pokrywają się z wartościami teoretycznymi. Fakt, iż wartości doświadczalne przewyższają wartości teoretyczne może wynikać z faktu, że obliczenia przeprowadzane były dla warunków normalnych (20°C), natomiast doświadczenie odbywało się w temperaturze wyżej, co zwiększyło objętość molową gazu.

c) Współczynniki b_H2teor. i b_O2teor.

Obliczamy je dla stałego czasu 180s:

I [A]	VH2teor. [ml]	VH2dośw. [ml]
0	0,00	0
0,08	1,79	2
0,32	7,16	8
0,72	16,12	20

b_H2teor=22,39

I [A]	VO2teor. [ml]	VO2dośw. [ml]
0	0,00	0
0,08	0,90	1
0,32	3,58	4
0,72	8,06	10

b_O2teor=11,19

Po obliczeniu V_teor. dla wodoru i tlenu, dla zależności od natężenia prądu, na wykres z punktu 5 naniesiono odpowiednie funkcje, celem porównania wartości doświadczalnych z wartościami teoretycznymi. Po analizie tego wykresu można stwierdzić, że ćwiczenie zostało wykonane poprawnie, gdyż wartości doświadczalne są bliskie wartościom teoretycznym. Podobnie jak w poprzednim punkcie fakt, iż wartości doświadczalne są wyższe od teoretycznych można tłumaczyć wyższą temperaturą przeprowadzania doświadczenia niż temp warunków normalnych.

9. Sprawność faradayowska elektrolizera.

VH2teor. [ml]	VH2dośw. [ml]	[%]
0	0	0
2,46	4	162
4,93	6	122
7,39	8	108
9,85	11	112
12,31	14	114
14,78	16	108
17,24	18,5	107
18,47	20	108
		104

10. Sprawność energetyczna elektrolizera.

Energia dostarczona [J]	Energia wytworzona [J]	Sprawność [%]
0	0	0
33,20	29,35401	88,40
66,21	58,70801	88,67
99,32	88,06202	88,67
132,50	117,416	88,61
165,63	146,77	88,61
198,75	176,124	88,61
231,88	205,478	88,61
248,44	220,1551	88,61
		88,60

Średnia sprawność energetyczna elektrolizera wynosi
.

III Wnioski

Wyniki uzyskane na drodze eksperymentalnej są bliskie wynikom uzyskanym na drodze teoretycznej wykorzystując prawa Faraday'a. Przebieg krzywej charakterystyki prądowo-napięciowej potwierdza istnienie napięcia rozkładu wody, powyżej którego natężenie prądu rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. Obliczona sprawność elektrolizy jest bardzo wysoka. Fakt iż przekracza ona 100% może być spowodowany tym, że doświadczenie przeprowadzane było w innej temperaturze niż ta przyjęta do obliczeń. Ponadto odczyt możliwy był z dokładnością do 1 ml podczas gdy w obliczeniach teoretycznych objętości mogły przybierać również wartości pośrednie. Duży wpływ na dokładność pomiarów miał też czynnik ludzki.

---