Elektroliza-wody-PEM.pdf, Prezentacje z Chemia

Pobierz Elektroliza-wody-PEM.pdf i więcej Prezentacje w PDF z Chemia tylko na Docsity! Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych ELEKTROLIZA WODY ZA POMOCĄ ELEKTROLIZERA TYPU PEM Dr inż. Monika Tkaczuk-Serafin CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM, A także określenie wydajności tego urządzenia, zarówno pod względem jeśli ilości produkowanego wodoru, jak i zużytej do tego procesu energii elektrycznej. WSTĘP Elektroliza wody jest prostym procesem elektrochemicznym, który nie wymaga skomplikowanej aparatury. Jednym z głównych produktów jest bardzo czysty wodór (>99,99%). Produkowany w ten sposób wodór jest doskonałym paliwem wykorzystywanym w ogniwach paliwowych. Największą wadą procesu elektrolizy jest zapotrzebowanie na energię elektryczną. Idealnym rozwiązaniem jest wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych. Elektroliza jest praktycznym sposobem zamiany nadwyżki energii elektrycznej w energię chemiczną do wykorzystania, gdy zaistnieje na to potrzeba. Układ , w którym prowadzi się elektrolizę, nosi nazwę elektrolizera. Elektrodę połączoną z dodatnim biegunem źródła prądu nazywa się anodą, a elektrodę ujemną- katodą. Na anodzie zachodzi proces utleniania a na katodzie – redukcji. Aby mógł zachodzić proces elektrolizy, napięcie zewnętrznego źródła prądu musi być wyższe od SEM ogniwa, w którym zachodzi reakcja , będąca odwróceniem reakcji w elektrolizerze. Czynnikami decydującymi o tym, jakie reakcje zajdą na elektrodach podczas przepływu prądu przez elektrolizer, są przede wszystkim skład roztworu i materiał elektrod, ale znaczący wpływ mają także napięcie elektrolizy oraz temperatura. Na dodatniej elektrodzie elektrolizera, czyli na anodzie, zachodzą procesy utleniania, natomiast na katodzie – redukcji. W reakcji anodowej mogą uczestniczyć tylko drobiny mogące oddać elektrony, a w katodowej te, które mogą elektrony pobrać. O tym, które drobiny będą się utleniać lub redukować łatwiej od innych , decyduje przede wszystkim potencjał danej reakcji elektrodowej, czyli jej położenie w szeregu napięciowym. Proces katodowy będzie zachodzić tym łatwiej, im wyższy jest jego potencjał, a proces anodowy - odwrotnie. Na katodzie w pierwszej kolejności rozładowują się kationy metali ciężkich, czyli metali położonych w szeregu napięciowym na prawo od glinu. Jeśli roztwór elektrolitu nie zawiera jonów metali ciężkich, na katodzie wydziela się wodór pochodzący z rozładowania kationów H + lub z redukcji cząsteczek wody. W przypadku zakwaszonego roztworu soli metalu ciężkiego wydzielanie metalu i wodoru może zachodzić równocześnie. Na anodzie w pierwszej kolejności rozładowują się aniony kwasów beztlenowych. Jeśli są one nieobecne w roztworze, na anodzie wydziela się tlen pochodzący z rozładowania jonów OH- lub utleniania cząsteczek wody. Rys.4. Stanowisko badawcze- mini-pojazd, zasilacz, mierniki napięcia i natężenia. Wzory Wydajność prądowa Na podstawie prawa Faradaya można obliczyć teoretyczną masę substancji wydzielonej na elektrodzie przy przepłynięciu przez elektrolit określonego ładunku: mt = Q · a = I · t · a = I∙t∙M F∙n gdzie: Q – ładunek [A·h, A·s], I – natężenie prądu [A], t – czas trwania elektrolizy [h, s], a – masa substancji wydzielona przez jednostkowy ładunek równy 1 A·h lub 1 A·s, na podstawie praw Faradaya: a= M Fn [g/A·s, kg/A·h], M – masa molowa substancji reagującej na elektrodzie [g/mol] n – ilość elektronów wymienianych na elektrodzie, F – stała Faradaya, F = 96500 A·s/mol = 26,8 A·h/mol, a – wynosi: dla chloru 1,323 g/A·h, dla wodorotlenku sodu 1,492 g/A·h, dla wodoru 0,0376 g/A·h. Wyrażony w procentach stosunek masy danej substancji otrzymanej z pomiarów mp do masy wyliczonej teoretycznie mt nazywamy wydajnością prądowa elektrolizy Wp 𝑊 𝑝= 𝑚𝑝 𝑚𝑡 ∙ 100% W procesie elektrolizy wodnych roztworów zasad otrzymuje się, jak wiadomo, wodór i tlen. Wydajność prądową elektrolizy można liczyć w odniesieniu do każdego z tych produktów. Wydajność energetyczna Stopień wykorzystania energii elektrycznej w procesach elektrolizy wyraża się jako wydajność energetyczną elektrolizy ηE : 𝜼𝑬 = 𝑬𝑯𝟐,𝒈𝒆𝒏 𝑬𝒆𝒍 ∙ 𝟏𝟎𝟎% EH2,gen =𝑣𝐻2 ∙𝑄𝑖 EH2,gen - energia wodoru wyprodukowanego w procesie elektrolizy. Do obliczenia EH2,gen potrzebna jest wartość opałowa (Qi) wodoru: Qi=12 770 𝑘𝐽 𝑁𝑚3 𝐸𝑒𝑙=U∙I∙t 𝐸𝑒𝑙 − energia elektryczna dostarczona do urządzenia. LITERATURA 1. Chemia fizyczna. Andrzej Staronka, Wydawnictwa AGH, Kraków 1994 2. Elektrochemia II- Elektrodyka A. Kisza Wyd. NT, Warszawa 2001