Ćwiczenie 1. Elektroliza.
Ćwiczenie
Temat ćwiczenia:
Konspekt
nr 1
Elektroliza wody
Nr zespołu: Wydział, rok, grupa: Data
Ocena
Nazwisko i imiÄ™
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 otaczajÄ… je czÄ…steczki rozpuszczalnika  jony sÄ…
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 ZrO2
stabilizowany tlenkiem itru Y2O3, w podwyższonej temperaturze charakteryzują się również
wysokim przewodnictwem jonowym. Przepływ ładunku przez stały elektrolit następuje na skutek
wędrówki jonów O2- 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 wydzielajÄ… siÄ™ na elektrodach.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 1
Ćwiczenie 1. Elektroliza.
W przeciwieństwie do elektrolizera, do którego dostarczana jest energia, ogniwo
galwaniczne dostarcza energii elektrycznej. W ogniwie galwanicznym proces anodowy
(elektroutleniania) przebiega na elektrodzie ujemnej, zaÅ› proces elektroredukcji na dodatniej
katodzie.
Ogniwo galwaniczne Elektrolizer
Reakcje przebiegają samorzutnie. Reakcje są wymuszane przyłożonym z zewnątrz
napięciem
Przebiegające w ogniwie reakcje powodują Kierunki przepływu prądu w układzie
przepływ elektronów w obwodzie elektrolizera i ogniwie są przeciwne
zewnętrznym.
Procesy polegają na przekazaniu energii z Zewnętrzne z
ródło prądu przekazuje energię
ogniwa do otoczenia, czyli do obwodu reagentom elektrolizera (procesy
zewnętrznego (procesy egzoenergetyczne). 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 = IÅ" t
Teoretycznie, ilość wydzielonego wodoru można obliczyć korzystając z II prawa Faraday a
IÅ"t = nÅ"zÅ"F
Sprawność faradajowską elektrolizera wody, obliczamy dzieląc objętość wydzielonego
podczas elektrolizy gazu przez objętość gazu wynikającą z prawa Faraday a
VH exp
2
·F =
VH ther
2
gdzie:
V - teoretyczna ilość otrzymanego wodoru [m3] lub[ml]
H2ther
V - rzeczywista ilość otrzymanego wodoru [m3] lub[ml]
H2 exp
oraz
R Å" I Å" T Å" t I Å" t Å" Vm
V = [m3] lub [ml] lub V = gdzie: gdzie n = V/Vm
H2ther H2ther
F Å" p Å" z z Å" F
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 2
Ćwiczenie 1. Elektroliza.
gdzie:
V - teoretyczna ilość otrzymanego wodoru [m3] lub[ml]
H2ther
J
îÅ‚ Å‚Å‚
R- uniwersalna stała gazowa; R= 8,314 ;
ïÅ‚mol Å" K śł
ðÅ‚ ûÅ‚
p  ciśnienie otoczenia [Pa];
C
îÅ‚ Å‚Å‚
F- staÅ‚a Faraday a , F= 96485 gdzie 1 [C]=1 AÅ" s
ïÅ‚mol śł
ðÅ‚ ûÅ‚
T  temperatura [ K]
t - czas [ s]
z - ilość elektronów potrzebna do wydzielenia jednego mola H2- [ 2]
Vm  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.
HoH Å"VH exp
2 2
·E =
U Å" I Å" t
gdzie:
-3
H - wartość opałowa wodoru
HoH2 =11,920 [MJ Å" m ] ,
oH2r
V - rzeczywista ilość otrzymanego wodoru [m3] lub [ml]
H2 exp
Badając zależność przyłożonego do elektrod napięcia i otrzymanego natężenia prądu, otrzymamy
wykres Rys.1.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 3
Ćwiczenie 1. Elektroliza.
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 Urozkł. (odcinek 2). W przypadku elektrolizy wody, Urozkł musi być wyższe od
siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa wodorowo-tlenowego, w trakcie pracy którego ma miejsce
proces odwrotny do elektrolizy wody  samoistna jej synteza.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 4
Ćwiczenie 1. Elektroliza.
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.
Wypływ gazów
Objaśnienia
1
1) zbiorniki kompensacyjne,
2
2) zbiornik: O2,
3) zbiornik: H2,
3
4) elektrolizer.
4
Rys.1.3. Budowa elektrolizera.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 5
Ćwiczenie 1. Elektroliza.
woda
dejonizowana
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 H2 i O2
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).
Elektrolizer
Elektrolizer
- 6 -
Klips
Klips
Rys.1.5. Nakładanie klipsów.
6. Ustaw zakres na woltomierzu 2V.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 6
Ćwiczenie 1. Elektroliza.
7. Ustaw zakres na amperomierzu 10 A.
8.Ustaw pokrętło obciążenia oporu zmiennego na wartość ".
9.WÅ‚Ä…cz 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 przeprowadz
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
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 7
Ćwiczenie 1. Elektroliza.
II Wyniki pomiarów i obliczenia
Tab.1.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa elektrolizera polimerowego
Opór Napięcie ogniwa Natężenie prądu
R [ &!] U [V] I [A]
&!]
&!]
&!]
0.00 0.00
0.01
Tab.1.2. Zależność objętości wydzielonego wodoru i tlenu od czasu elektrolizy
Czas Objętość Objętość Napięcie Natężenie
[s] H2 [ml] O2 [ml] U [V] I [A]
0 0 0
60
Tab.1.3. Zależność objętości wydzielonego wodoru od natężenia prądu elektrolizy
t = idem = 180 s
Natężenie Objętość Objętość
I [A] H2 [ml] O2 [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.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 8
Ćwiczenie 1. Elektroliza.
3) Wykreśl zależności objętości wodoru i tlenu w funkcji czasu elektrolizy: VH2 = f (t) oraz
VO2= 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 VH2 = 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) Sprawdz
zgodność otrzymanych wyników z prawami Faraday a. w następujący sposób:
a) Teoria
I prawo Faraday a.
m = kÅ" I Å" t
gdzie m- masa wydzielonej substancji
II prawo Faraday a
Rc
F = [C]Ò! F = 96484[C][AÅ"s]
k
M
gdzie Rc= gramorównoważnik wydzielonej substancji (MH2= 2 g; z = 2; M02= 32 g; z = 4)
H2 02
z
M - masa molowa [g] (MH2= 2 g; M02= 32 g)
z - ładunek jonu (względem ładunku elektronu)-(z = 2; z = 4)
H2 02
Stąd, korzystając z praw gazu doskonałego, otrzymujemy:
Sprawdzenie:
I Å" t Å" Vm I Å" V
m
VH2teor = = Å" t = a Å" t (1)
H2theor
zH2 Å" F Z Å" F
I Å" t Å" Vm t Å" V
m
VH2teor = = Å" I = bH2theor I (2)
zH2 Å" F Z Å" F
gdzie t  czas tworzenia wodoru [s]
Vm  objętość molowa substancji = 24000 ml; 22,4 dm3; 24 l/mol dla T=200C
F  stała Faraday a = 96484 [C/ mol] [ As/mol]
b) Oblicz współczynniki a i bH2theor .
H2theor
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 9
Ćwiczenie 1. Elektroliza.
c) Na odpowiednie wykresy (punkty (3) oraz (5)) nanieść zależności (1) i (2) z obliczonymi
współczynnikami a i bH2theor i objaśnij otrzymany wynik.
H2theor
d) Wykonaj powyższe obliczenia i sporządz
wykresy dla tlenu.
8) Oblicz sprawność faradajowską elektrolizera
Sprawność faradajowska ·F jest to stosunek iloÅ›ci otrzymanego wodoru, do iloÅ›ci wodoru, jaka
powinna być otrzymana, gdy spełnione są prawa Faraday`a.
VH2 exp a Å" t
H2 exp.
·F = =
VH2theor VH2theor
I Å" V
I Å" t Å"Vm
m
VH teor = = Å" t = a Å" t
H2theor
2
Z Å" F
z Å" F
I Å" Vm
a =
H2theor
Z Å" F
t Å" Vm
VH2teor = Å" I
Z Å" F
VH exp H2 exp . H2 exp.
a Å" t a
2
·F = = =
a Å" t a
VH ther H2theor H2theor
2
gdzie
t  czas tworzenia wodoru [ s]
Vm  objętość molowa substancji [ml/mol]
F  staÅ‚a Faraday a = 96484 [CÅ"mol-1][AÅ"s/mol]
Z  liczba jonów-2 (H2)
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.
"HoH2 Å" VH2 exp "HoH2 Å" a t "HoH2 Å" a
H2 exp H2 exp
·E = = =
U Å" I Å" t U Å" I Å" t U Å" I
gdzie
"H oH2  wartość opałowa wodoru "
HoH2 =11,920[MJ Å" m-3 ],
V - rzeczywista ilość otrzymanego wodoru [m3] lub [ml]
H2 exp
10) Przedyskutuj otrzymane wyniki.
Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo  Hutniczej w Krakowie 10