電解水制氫的實驗研究

陳堅 劉耀昌 劉萬林 李增有 陳濤 馬明樂 陳東生

(上海電力學院物理系 上海 200090)

1 引言

目前，人類所面臨的問題是，以煤、天燃氣和石油等不可再生能源將近枯竭且這類能源所產生的污染非常嚴重．而氫燃燒產生水且不會帶來任何污染，它可利用太陽能、風能等自然能分解水產生，也可配合電網調峰電解水或利用生物質產生．因此，氫能正以其獨有的優勢和大量的資源引起了人們廣泛的興趣，且被認為是二次能源中一種最為理想的、無污染的綠色能源．

氫能的獲取方式有很多，其中一類是以水為反應物，通過電解或熱解制氫已成為世界各國共同努力的目標．電解水制氫, 從能源總量和利用方式角度看, 都可以滿足人類日益增長的能源需求,而且不會對環境帶來任何污染, 因而被認為是解決能源問題的最佳方案之一．

2 實驗原理

在電解水制氫的實驗中，核心器件是電解裝置，其原理如圖1所示．要使水電解開始，則需要通過供電插孔A給電解裝置加一個激勵電壓，純凈水電解出氣態的氫和氧，氫氣產生于陰極，氧氣產生于陽極．

陽極：2H2O→O2+4H++4e-

陰極：4H++4e-→2H2

總反應：2H2O→O2+2H2

電解裝置的核心是Nafion質子交換膜，每一邊的電極都使用了過孔的表層結構．這些表層為金屬柵層，與供電接口相連接柵層的這種結構，確保了在兩邊的電極區中，水與氣體交換在同一時刻，并且分布和流通均勻．這種交換膜相當于一種可以透過氫陽離子的固化電解質，所以電解裝置可以在純水中運行．氣體從兩極產生，上升入水箱中，通過水層之后可以從D,E連接端口被收回采集．

圖1 電解裝置原理圖

整個電解水的實驗裝置如圖2所示，本實驗裝置主要由電解裝置、氣體存儲裝置、負載和萬用表等組成．該實驗裝置能實現水分解制氫．同時也能夠測得相關的實驗數據，分析制氫過程．

圖2 電解水制氫的原理圖

3 不同電流與時間下產生氫氣與氧氣量實驗研究

3.1 實驗步驟

(1)將蒸餾水注入至氣體存儲裝置的0 mL刻度線處．利用蓋帽附件，將氣體存儲裝置的連接套管密封以防止氣體漏出；

(2)將電流表的調節器的初始值調至0 mA，并將測量范圍調至200 mA擋．在不同電流值下進行多次測量；

(3)通過調節器設置預定的電流值，并將開始時的液位值記錄下來．將該電流值所對應的計時時間輸入定時器中，并開始測量實驗；

(4)當定時器結束后，將新的液位值填入表格中，并繼續下一行的實驗數據測量．

3.2 實驗數據及分析

不同電流與時間下產生氫氣與氧氣量的數值如表1所示.

表1 不同電流與時間下產生氫氣與氧氣的量

由表1數據計算得：電解水所產生的兩種氣體的體積比VH2∶VO2≈2．因為一個水分子H2O由兩個氫原子與和一個氧原子組成．由質量守恒定律可知，在化學反應中，參加反應前各物質的質量總和等于反應后生成各物質的質量總和．所以生成兩個氫原子時必定生成一個氧子．由阿伏伽德羅定律可知，同溫同壓的情況下，相同體積的任何氣體含有相同的分子數．所以生成氫氣的體積是氧氣的二倍，可見實驗與理論結果是相一致的．

圖3 電流大小與氫氣、氧氣的產生率關系圖

電流與氫氣、氧氣產生率的關系如圖3所示.根據所畫的圖我們擬合出單位時間內產生的氫氣和電流的關系、氧氣與電流的關系為

ΔVO2=4.8I

ΔVH2=9.7I

由此可以看出，單位時間內產生的氧氣、氫氣的量分別與電流成線性關系，隨著電流量的增加氣體的產生量也在增加．且氫氣的產生率是氧氣的近2倍．

4 電解裝置的能效因數的測量

4.1 實驗步驟

(1)將蒸餾水注入至氣體存儲裝置的0 mL刻度線處．利用蓋帽附件，將氣體存儲裝置的連接套管密封以防止氣體漏出；

(2)將電流表的測量范圍調至2 000 mA(DC)，并將電壓表的測量范圍調至20 V(DC)．利用兩側裝置，對不同的電信號做測量．

(3)通過調節器設置預定的電流值，并將開始時的氣體存儲裝置中氫氣對應的液位值，記錄在表格中．將該電流值所對應的計時時間輸入定時器中，并開始測量實驗．

(4)當定時器結束后，將新的液位值填入表格中，并繼續下一行的實驗數據測量．計算在該時間段內產生氫氣的氣體量．通過讀取開始和結束時的氣體存儲裝置上的相應液位值，計算在該時間段內，產生氫氣的氣體量．

4.2 實驗數據及分析

不同電流、電壓和時間下產生的氫氣量的數值如表2所示.

表2 不同電流、電壓和時間下產生的氫氣量

電解裝置的能效因數ηE為氫氣儲存的化學能Ech和提供的電能Ee之間的比值，計算公式為

氫燃料的化學能286 kJ/mol．而1 mol的氫氣體積為24 414 mL．

(1)電流為0.1 A，溫度為20 ℃情況下

Ee=0.1 A·1.58 V·720 s=113.8 J

(2)電流為0.45 A，溫度為20 ℃情況下

Ee=0.5 A·1.85 V·240 s=222.0 J

由以上的計算可知,電解裝置的能效因數隨著電流的增加而減小，電解將需要一個較高的電壓，這是由于化學反應造成的能量損耗(過電壓)，以及由于電解質會隨下列因素發生的變化：不同的濃度、電極反應的延遲、電解裝置的內阻值．電解裝置本身就擁有一定的內阻值．能量損耗的一個表象是熱量的產生．

5 結論

通過自制的電解水制氫實驗裝置,了解單位時間內產生的氧氣、氫氣的量分別與電流的關系，隨著電流的增加氣體的產生量增加，且氫氣的產生率是氧氣的近2倍．通過計算發現電解裝置的能效因數隨著電流的增加而減小，這可能與不同的濃度、電極反應的延遲、電解裝置的內阻值有關．此結論為后續進一步開展氫能的研究提供一定的參考依據．

參考文獻

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