Akademia Górniczo -Hutnicza w Krakowie			Imię i nazwisko: Adam Czuba Zbigniew Korzeń Wojciech Januszewski
KATEDRA TECHNOLOGII PALIW
Wydział: MSE gr. 4	Rok akademicki: 2007/2008	Rok studiów: 3	Zespół: 3
Temat ćwiczenia: Elektroliza wody
Data wykonania: 16.05.2008	Data zaliczenia:		Ocena:

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]
∞	0,00	0,00
33000	0,178	0,00
10000	0,184	0,00
5000	0,189	0,00
1200	0,995	0,00
100	1,539	0,04
47	1,550	0,08
10	1,647	0,34
8,2	1,676	0,42
6,2	1,713	0,54
3,9	1,795	0,80

2. Wyznaczenie napięcia rozkładowego wody dla badanego układu elektrolizera.

Wartość napięcia rozkładowego wody wyznaczamy poprzez wyliczenie współrzędnej x punktu przecięcia się 2 prostych regresji liniowej, którymi przybliżyliśmy otrzymane wyniki pomiarów.

U_rozkł.=1,569[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	1,639	0,34
60	2,0	1,5	1,647
120	5,0	3,0	1,648
180	7,5	4,0	1,648
240	10,5	5,5	1,648
300	13,0	7,0	1,648
360	16,0	8,0	1,648
420	18,0	10,0	1,648
454	20,0	10,5	1,648

4. Współczynniki regresji liniowej V=at dla wodoru i tlenu (V - obj. gazu, t - czas elektrolizy, a - współczynnik regresji) przechodzącej przez początek układu współrzędnych. Współczynniki korelacji.

Wartości współczynników regresji liniowej a odpowiednio dla wodoru i tlenu wynoszą a_H2=0,0445 oraz a_O2=0,0230. Wartości współczynników korelacjidla wodoru i tlenu wynoszą r_{H2 (a)}=0,9993 oraz r_{O2 (a)}=0,9987. Wartości te są bardzo bliskie jedności, co oznacza praktycznie doskonałą korelację liniową (punkty leżą dokładnie na prostej, skierowanej w górę).

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	0,5
0,34	8	4
0,53	13	6,5
0,79	19	9,5

6. Współczynniki regresji liniowej V=bI dla wodoru i tlenu (I - prąd elektrolizy, b - współczynnik regresji) przechodzącej przez początek układu współrzędnych. Współczynniki korelacji.

Wartości współczynników regresji liniowej b odpowiednio dla wodoru i tlenu wynoszą b_H2=24,051 oraz b_O2=12,025. Wartości współczynników korelacji r dla wodoru i tlenu wynoszą r_H2(b)=0,9973 oraz r_O2(b)=0,9973. Oznacza to w obu przypadkach praktycznie doskonałą korelację liniową (punkty leżą dokładnie na prostej, skierowanej w górę).

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

Współczynniki regresji dla obydwu wykresów wynoszą:

a_H2=0,0445 b_H2=24,051

a_O2=0,0230 b_O2=12,025

Stosunki
oraz
wynoszą odpowiednio 1,98 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

a) Teoria

I prawo Faraday'a:

gdzie m - masa wydzielonej substancji

II prawo Faraday'a:

gdzie
- gramorównoważnik wydzielonej substancji (M_H2=2 [g]; z_H2=2; M_O2=32 [g]; z_O2=4);

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)

Sprawdzenie:

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]

b) Współczynniki a_H2teor. i a_O2teor.

Obliczamy je dla stałego natężenia prądu I = 0,33 [A] ze wzoru z podpunktu a)

VH2teor.=aH2teor.*t
I [A]	0,34		t [s]	VH2teor. [ml]	VH2dośw. [ml]
Vm [ml/mol]	24000		0	0,00	0,0
zH2 [1]	2		60	2,54	2,0
F [As/mol]	96484		120	5,07	5,0
			180	7,61	7,5
aH2teor. [ml/s]	0,042		240	10,15	10,5
			300	12,69	13,0
			360	15,22	16,0
			420	17,76	18,0
			454	19,20	20,0

VO2teor.=aO2teor.*t
I [A]	0,34		t [s]	VO2teor. [ml]	VO2dośw. [ml]
Vm [ml/mol]	24000		0	0,00	0,0
zO2 [1]	4		60	1,23	1,5
F [As/mol]	96484		120	2,46	3,0
			180	3,69	4,0
aO2teor. [ml/s]	0,021		240	4,93	5,5
			300	6,16	7,0
			360	7,39	8,0
			420	8,62	10,0
			454	9,65	10,5

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.

c) Współczynniki b_H2teor. i b_O2teor.

VH2teor.=bH2teor.*I
t [s]	180		I [A]	VH2teor. [ml]	VH2dośw. [ml]
Vm [ml/mol]	24000		0	0,00	0
zH2 [1]	2		0,08	1,79	1
F [As/mol]	96484		0,34	7,61	8
			0,53	11,87	13
bH2teor. [ml/A]	22,4		0,79	17,69	19

VO2teor.=bO2teor.*I
t [s]	180		I [A]	VO2teor. [ml]	VO2dośw. [ml]
Vm [ml/mol]	24000		0	0,00	0
zO2 [1]	4		0,08	0,90	0,5
F [As/mol]	96484		0,34	3,81	4
			0,53	5,93	6,5
bO2teor. [ml/A]	11,2		0,79	8,84	9,5

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 praktycznie pokrywają się z wartościami teoretycznymi.

9. Sprawność faradayowska elektrolizera.

VH2dośw. [ml]	VH2teor. [ml]
0,0	0,00	0
2,0	2,54	0,79
5,0	5,07	0,99
7,5	7,61	0,99
10,5	10,15	1,03
13,0	12,69	1,02
16,0	15,22	1,05
18,0	17,76	1,01
20,0	19,20	1,04
		0,99

Średnia sprawność faradayowska elektrolizera, wynosi
.

10. Sprawność energetyczna elektrolizera.

t [s]	U [V]	VH2dośw. [ml]
0	1,639	0,0	0
60	1,647	2,0	0,71
120	1,648	5,0	0,89
180	1,648	7,5	0,89
240	1,648	10,5	0,93
300	1,648	13,0	0,92
360	1,648	16,0	0,95
420	1,648	18,0	0,91
454	1,648	20,0	0,94
I [A]	0,34
[J/ml]	11,92		0,89

Średnia sprawność energetyczna elektrolizera wynosi
.

III. Wnioski

Patrząc na charakterystykę prądowo-napięciową elektrolizera zauważamy, że początkowo pomimo przykładania coraz wyższego napięcia nie obserwujemy znacznych zmian natężenia prądu płynącego w elektrolizerze. Znaczący przyrost zauważyć można w momencie, gdy niewielkim zmianom napięcia odpowiadają większe niż dotąd zmiany prądu. Punkt, od którego następuje ten wzrost nazywany jest napięciem rozkładowym i od tej wartości następuje proces elektrolizy. W tym punkcie napięcie jest większe od SEM ogniwa wodorowo-tlenowego. W naszym doświadczeniu napięcie rozkładowe wynosi U_rozkł=1,569 V.

Współczynniki korelacji we wszystkich przeprowadzonych doświadczeniach można przyjąć za równe (R=1), co świadczy o tym, iż zależności umieszczone na wykresach są liniowe.

Sprawność faradajowska badanego elektrolizera wyniosła η_F = 99%. Jak widać prawie cała ilość natężenia prądu posłużyła do wytworzenia paliwa wodorowego, mało zaś było zanieczyszczeń w użytym elektrolicie, błędy pomiarowe były znikome jak też niska strata dyfuzyjna w elektrolizerze. Natomiast sprawność energetyczna elektrolizera wyniosła
η_E = 89%. Z czego wynika, że energia elektryczna dostarczona do elektrolizera w celu wytworzenia wodoru była większa od energii zawartej w otrzymanym podczas procesu elektrolizy wodorze.

---