陳堅(jiān) 劉耀昌 劉萬(wàn)林 李增有 陳濤 馬明樂(lè) 陳東生

(上海電力學(xué)院物理系 上海 200090)

1 引言

目前，人類所面臨的問(wèn)題是，以煤、天燃?xì)夂褪偷炔豢稍偕茉磳⒔萁咔疫@類能源所產(chǎn)生的污染非常嚴(yán)重．而氫燃燒產(chǎn)生水且不會(huì)帶來(lái)任何污染，它可利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等自然能分解水產(chǎn)生，也可配合電網(wǎng)調(diào)峰電解水或利用生物質(zhì)產(chǎn)生．因此，氫能正以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)和大量的資源引起了人們廣泛的興趣，且被認(rèn)為是二次能源中一種最為理想的、無(wú)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(yīng)物，通過(guò)電解或熱解制氫已成為世界各國(guó)共同努力的目標(biāo)．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(zhǎng)的能源需求,而且不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)任何污染, 因而被認(rèn)為是解決能源問(wèn)題的最佳方案之一．

2 實(shí)驗(yàn)原理

在電解水制氫的實(shí)驗(yàn)中，核心器件是電解裝置，其原理如圖1所示．要使水電解開(kāi)始，則需要通過(guò)供電插孔A給電解裝置加一個(gè)激勵(lì)電壓，純凈水電解出氣態(tài)的氫和氧，氫氣產(chǎn)生于陰極，氧氣產(chǎn)生于陽(yáng)極．

陽(yáng)極：2H2O→O2+4H++4e-

陰極：4H++4e-→2H2

總反應(yīng)：2H2O→O2+2H2

電解裝置的核心是Nafion質(zhì)子交換膜，每一邊的電極都使用了過(guò)孔的表層結(jié)構(gòu)．這些表層為金屬柵層，與供電接口相連接?xùn)艑拥倪@種結(jié)構(gòu)，確保了在兩邊的電極區(qū)中，水與氣體交換在同一時(shí)刻，并且分布和流通均勻．這種交換膜相當(dāng)于一種可以透過(guò)氫陽(yáng)離子的固化電解質(zhì)，所以電解裝置可以在純水中運(yùn)行．氣體從兩極產(chǎn)生，上升入水箱中，通過(guò)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(gè)電解水的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，本實(shí)驗(yàn)裝置主要由電解裝置、氣體存儲(chǔ)裝置、負(fù)載和萬(wàn)用表等組成．該實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)水分解制氫．同時(shí)也能夠測(cè)得相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析制氫過(guò)程．

圖2 電解水制氫的原理圖

3 不同電流與時(shí)間下產(chǎn)生氫氣與氧氣量實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

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

(2)將電流表的調(diào)節(jié)器的初始值調(diào)至0 mA，并將測(cè)量范圍調(diào)至200 mA擋．在不同電流值下進(jìn)行多次測(cè)量；

(3)通過(guò)調(diào)節(jié)器設(shè)置預(yù)定的電流值，并將開(kāi)始時(shí)的液位值記錄下來(lái)．將該電流值所對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)時(shí)間輸入定時(shí)器中，并開(kāi)始測(cè)量實(shí)驗(yàn)；

(4)當(dāng)定時(shí)器結(jié)束后，將新的液位值填入表格中，并繼續(xù)下一行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量．

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

不同電流與時(shí)間下產(chǎn)生氫氣與氧氣量的數(shù)值如表1所示.

表1 不同電流與時(shí)間下產(chǎn)生氫氣與氧氣的量

由表1數(shù)據(jù)計(jì)算得：電解水所產(chǎn)生的兩種氣體的體積比VH2∶VO2≈2．因?yàn)橐粋€(gè)水分子H2O由兩個(gè)氫原子與和一個(gè)氧原子組成．由質(zhì)量守恒定律可知，在化學(xué)反應(yīng)中，參加反應(yīng)前各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成各物質(zhì)的質(zhì)量總和．所以生成兩個(gè)氫原子時(shí)必定生成一個(gè)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(shù)．所以生成氫氣的體積是氧氣的二倍，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果是相一致的．

圖3 電流大小與氫氣、氧氣的產(chǎn)生率關(guān)系圖

電流與氫氣、氧氣產(chǎn)生率的關(guān)系如圖3所示.根據(jù)所畫的圖我們擬合出單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氫氣和電流的關(guān)系、氧氣與電流的關(guān)系為

ΔVO2=4.8I

ΔVH2=9.7I

由此可以看出，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氧氣、氫氣的量分別與電流成線性關(guān)系，隨著電流量的增加氣體的產(chǎn)生量也在增加．且氫氣的產(chǎn)生率是氧氣的近2倍．

4 電解裝置的能效因數(shù)的測(cè)量

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

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

(2)將電流表的測(cè)量范圍調(diào)至2 000 mA(DC)，并將電壓表的測(cè)量范圍調(diào)至20 V(DC)．利用兩側(cè)裝置，對(duì)不同的電信號(hào)做測(cè)量．

(3)通過(guò)調(diào)節(jié)器設(shè)置預(yù)定的電流值，并將開(kāi)始時(shí)的氣體存儲(chǔ)裝置中氫氣對(duì)應(yīng)的液位值，記錄在表格中．將該電流值所對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)時(shí)間輸入定時(shí)器中，并開(kāi)始測(cè)量實(shí)驗(yàn)．

(4)當(dāng)定時(shí)器結(jié)束后，將新的液位值填入表格中，并繼續(xù)下一行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量．計(jì)算在該時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生氫氣的氣體量．通過(guò)讀取開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的氣體存儲(chǔ)裝置上的相應(yīng)液位值，計(jì)算在該時(shí)間段內(nèi)，產(chǎn)生氫氣的氣體量．

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

不同電流、電壓和時(shí)間下產(chǎn)生的氫氣量的數(shù)值如表2所示.

表2 不同電流、電壓和時(shí)間下產(chǎn)生的氫氣量

電解裝置的能效因數(shù)ηE為氫氣儲(chǔ)存的化學(xué)能Ech和提供的電能Ee之間的比值，計(jì)算公式為

氫燃料的化學(xué)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(jì)算可知,電解裝置的能效因數(shù)隨著電流的增加而減小，電解將需要一個(gè)較高的電壓，這是由于化學(xué)反應(yīng)造成的能量損耗(過(guò)電壓)，以及由于電解質(zhì)會(huì)隨下列因素發(fā)生的變化：不同的濃度、電極反應(yīng)的延遲、電解裝置的內(nèi)阻值．電解裝置本身就擁有一定的內(nèi)阻值．能量損耗的一個(gè)表象是熱量的產(chǎn)生．

5 結(jié)論

通過(guò)自制的電解水制氫實(shí)驗(yàn)裝置,了解單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氧氣、氫氣的量分別與電流的關(guān)系，隨著電流的增加氣體的產(chǎn)生量增加，且氫氣的產(chǎn)生率是氧氣的近2倍．通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)電解裝置的能效因數(shù)隨著電流的增加而減小，這可能與不同的濃度、電極反應(yīng)的延遲、電解裝置的內(nèi)阻值有關(guān)．此結(jié)論為后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展氫能的研究提供一定的參考依據(jù)．

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