电解水制氢的实验研究

陈坚 刘耀昌 刘万林 李增有 陈涛 马明乐 陈东生

(上海电力学院物理系 上海 200090)

1 引言

目前，人类所面临的问题是，以煤、天燃气和石油等不可再生能源将近枯竭且这类能源所产生的污染非常严重．而氢燃烧产生水且不会带来任何污染，它可利用太阳能、风能等自然能分解水产生，也可配合电网调峰电解水或利用生物质产生．因此，氢能正以其独有的优势和大量的资源引起了人们广泛的兴趣，且被认为是二次能源中一种最为理想的、无污染的绿色能源．

氢能的获取方式有很多，其中一类是以水为反应物，通过电解或热解制氢已成为世界各国共同努力的目标．电解水制氢, 从能源总量和利用方式角度看, 都可以满足人类日益增长的能源需求,而且不会对环境带来任何污染, 因而被认为是解决能源问题的最佳方案之一．

2 实验原理

在电解水制氢的实验中，核心器件是电解装置，其原理如图1所示．要使水电解开始，则需要通过供电插孔A给电解装置加一个激励电压，纯净水电解出气态的氢和氧，氢气产生于阴极，氧气产生于阳极．

阳极：2H2O→O2+4H++4e-

阴极：4H++4e-→2H2

总反应：2H2O→O2+2H2

电解装置的核心是Nafion质子交换膜，每一边的电极都使用了过孔的表层结构．这些表层为金属栅层，与供电接口相连接栅层的这种结构，确保了在两边的电极区中，水与气体交换在同一时刻，并且分布和流通均匀．这种交换膜相当于一种可以透过氢阳离子的固化电解质，所以电解装置可以在纯水中运行．气体从两极产生，上升入水箱中，通过水层之后可以从D,E连接端口被收回采集．

图1 电解装置原理图

整个电解水的实验装置如图2所示，本实验装置主要由电解装置、气体存储装置、负载和万用表等组成．该实验装置能实现水分解制氢．同时也能够测得相关的实验数据，分析制氢过程．

图2 电解水制氢的原理图

3 不同电流与时间下产生氢气与氧气量实验研究

3.1 实验步骤

(1)将蒸馏水注入至气体存储装置的0 mL刻度线处．利用盖帽附件，将气体存储装置的连接套管密封以防止气体漏出；

(2)将电流表的调节器的初始值调至0 mA，并将测量范围调至200 mA挡．在不同电流值下进行多次测量；

(3)通过调节器设置预定的电流值，并将开始时的液位值记录下来．将该电流值所对应的计时时间输入定时器中，并开始测量实验；

(4)当定时器结束后，将新的液位值填入表格中，并继续下一行的实验数据测量．

3.2 实验数据及分析

不同电流与时间下产生氢气与氧气量的数值如表1所示.

表1 不同电流与时间下产生氢气与氧气的量

由表1数据计算得：电解水所产生的两种气体的体积比VH2∶VO2≈2．因为一个水分子H2O由两个氢原子与和一个氧原子组成．由质量守恒定律可知，在化学反应中，参加反应前各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和．所以生成两个氢原子时必定生成一个氧子．由阿伏伽德罗定律可知，同温同压的情况下，相同体积的任何气体含有相同的分子数．所以生成氢气的体积是氧气的二倍，可见实验与理论结果是相一致的．

图3 电流大小与氢气、氧气的产生率关系图

电流与氢气、氧气产生率的关系如图3所示.根据所画的图我们拟合出单位时间内产生的氢气和电流的关系、氧气与电流的关系为

ΔVO2=4.8I

ΔVH2=9.7I

由此可以看出，单位时间内产生的氧气、氢气的量分别与电流成线性关系，随着电流量的增加气体的产生量也在增加．且氢气的产生率是氧气的近2倍．

4 电解装置的能效因数的测量

4.1 实验步骤

(1)将蒸馏水注入至气体存储装置的0 mL刻度线处．利用盖帽附件，将气体存储装置的连接套管密封以防止气体漏出；

(2)将电流表的测量范围调至2 000 mA(DC)，并将电压表的测量范围调至20 V(DC)．利用两侧装置，对不同的电信号做测量．

(3)通过调节器设置预定的电流值，并将开始时的气体存储装置中氢气对应的液位值，记录在表格中．将该电流值所对应的计时时间输入定时器中，并开始测量实验．

(4)当定时器结束后，将新的液位值填入表格中，并继续下一行的实验数据测量．计算在该时间段内产生氢气的气体量．通过读取开始和结束时的气体存储装置上的相应液位值，计算在该时间段内，产生氢气的气体量．

4.2 实验数据及分析

不同电流、电压和时间下产生的氢气量的数值如表2所示.

表2 不同电流、电压和时间下产生的氢气量

电解装置的能效因数ηE为氢气储存的化学能Ech和提供的电能Ee之间的比值，计算公式为

氢燃料的化学能286 kJ/mol．而1 mol的氢气体积为24 414 mL．

(1)电流为0.1 A，温度为20 ℃情况下

Ee=0.1 A·1.58 V·720 s=113.8 J

(2)电流为0.45 A，温度为20 ℃情况下

Ee=0.5 A·1.85 V·240 s=222.0 J

由以上的计算可知,电解装置的能效因数随着电流的增加而减小，电解将需要一个较高的电压，这是由于化学反应造成的能量损耗(过电压)，以及由于电解质会随下列因素发生的变化：不同的浓度、电极反应的延迟、电解装置的内阻值．电解装置本身就拥有一定的内阻值．能量损耗的一个表象是热量的产生．

5 结论

通过自制的电解水制氢实验装置,了解单位时间内产生的氧气、氢气的量分别与电流的关系，随着电流的增加气体的产生量增加，且氢气的产生率是氧气的近2倍．通过计算发现电解装置的能效因数随着电流的增加而减小，这可能与不同的浓度、电极反应的延迟、电解装置的内阻值有关．此结论为后续进一步开展氢能的研究提供一定的参考依据．

参考文献

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7 氢能实验手册