Электролизер для получения водорода чертежи схема: Электролизер для получения водорода чертежи схема

пошаговая инструкция. Как собрать водородный генератор своими руками

Одним из самых удобных и практичных способов получения водорода, и его дальнейшего, разумного применения является водородный генератор, так называемая водородная горелка. Но получение водорода в домашних условиях довольно опасное занятие потому прислушайтесь к описанному совету.

Самодельный водородный генератор:

Основу водородной горелки составляет водородный генератор, который представляет собою своеобразную ёмкость с водой и пластинами из нержавеющей стали. Конструкция и подробное описание водородного генератора можно без особых усилий найти на других сайтах, потому я не стану тратить печатные символы на это. Я хочу передать весьма важные тонкости, которые будут вам очень полезны, если вы соберётесь делать водородную горелку своими руками.

Рисунок №1 – Структурная схема водородной горелки

Суть водородной горелки заключается в получении водорода путём электролиза воды. Вы должны понимать, что в электролизёр (емкость с водой и электродами) и потому, нельзя наливать туда что попало, я рекомендую использовать дистиллированную воду, однако читал, что для более эффективного электролиза добавляют ещё каустическую соду (пропорций не знаю).

Мой электролизёр собран из нержавеющих пластин, резиновых прокладок, и двух толстых пластин оргстекла, и внешне всё это выглядит так:

Рисунок №2 – Электролизёр

Электролизёр необходимо заполнять водою ровно наполовину для соблюдения техники безопасности, следите за уровнем жидкости, так как с его снижением меняются электрические параметры и интенсивность выделения водорода!

Но прежде чем потратить кучу времени и материалов на сборку электролизёра, позаботитесь о блоке питания к нему. Мой электролизёр, к примеру, потребляет ток около 6А, при напряжении 8В.

Металлические пластины (электроды) соединены при помощи припаянной к ним толстой медной проволоки, и толстых медных проводов (около 4мм сечение).

Рисунок №3 – Как подсоединить провода

Так же вы должны понимать, что всё должно быть герметично соединено и хорошо заизолировано, короткое замыкание пластин и искра недопустимо!!!

Рисунок №4 – Изоляция пластин

На самом деле есть масса разного рода конструкций электролизёра потому я не хочу на нем фокусировать ваше внимание, хотя он и является самой основной и трудоёмкой деталью для водородной горелки, само по себе он не очень важен (вам подойдёт любая его конструкция).

При работе с водородной горелкой следует:

Если вы собрались делать водородную горелку, то будьте осторожны! Водород очень взрывоопасен!!! При сборке и работе с водородной горелкой, есть много жизненно важных тонкостей. Обратите внимание на мои советы – я это реально проделывал и знаю что говорю.

В самодельной водородной горелке обязательно должно быть согласованно давление водорода, и защита от обратного взрыва, хорошая герметичность и изоляция!

Дело в том, что при работе водородной горелкой, для электролиза вы используете блок питания. И пока он включён, водород выделяется примерно с одинаковой интенсивностью (по мере работы она может падать, так как вода испаряется и меняется плотность тока между пластинами электродов), потому не приступайте к работе, не ознакомившись предварительно с устройством горелки.

Как правильно пользоваться водородной горелкой:

Во-первых прежде всего, всегда работайте в средствах индивидуальной защиты (обязательно наденьте на лицо защитный щиток или очки), во-вторых соблюдайте правила пожарной безопасности. В-третьих, следите за уровнем воды в электролизёре, и интенсивностью горения пламени.

Поджигать пламя нужно не сразу, дайте водороду вытеснить остатки кислорода (у меня это занимает около десяти минут, в зависимости от интенсивности выделения и объёма сосудов с водяным затвором и предохранителем А, Б рис.1)

Обязательно держите около себя ёмкость с водою – она вам понадобится, что бы потушить пламя горелки, когда закончите работу. Для этого, вам просто необходимо направить кончик иглы с пламенем под воду и тем самым перекрыть огню кислород. ВСЕГДА СНАЧАЛА ТУШИТЕ ПЛАМЯ А ПОТОМ ВЫКЛЮЧАЙТЕ ПИТАНИЕ ГЕНЕРАТОРА – ИНАЧЕ ВЗРЫВ НЕМЕНУЕМ.

Водяной затвор и предохранитель:

Обратите ваше внимание на рисунок №1 – там есть две ёмкости (Я обозначил их А и Б), ну и иголка от одноразового шприца (В), всё это соединено трубками от капельниц.

В первую емкость (А) необходимо наливать воду, это водяной затвор. Он необходим для того что бы взрыв не добрался до электролизёра (если он рванёт то это будет как осколочная граната).

Рисунок №5 – Водяной затвор

Обратите внимание, в крышке водяного затвора есть два соединителя (я всё это приспособил от медицинской капельницы), оба они герметично вклеены в крышку при помощи эпоксидного клея. Одна трубка длинная, по ней водород с генератора должен поступать под воду, булькать, и через второе отверстие идти по трубке к предохранителю (Б).

Рисунок №6 – Предохранитель

В ёмкость с предохранителем вы можете наливать как воду (для большей надёжности) так и спирт (пары спирта повышают температуру горения пламени).

Сам предохранитель делается так: Вам необходимо проделать в крышке отверстие диаметром 15 мм, и отверстия для винтиков.

Рисунок №7 – Как выглядят отверстия в крышке

Также вам понадобится две толстых шайбы (если потребуется, то надо расширить внутренний диаметр шайбы при помощи круглого напильника) две водопроводных прокладки и фольгу от шоколадки или обыкновенный воздушный шарик.

Рисунок №8 – Эскиз защитного клапана

Собирается он достаточно просто, вам необходимо просверлить четыре соосных отверстия в железных шайбах крышке и прокладках. Сначала необходимо припаять болты к верхней шайбе, это легко можно сделать при помощи мощного паяльника и активного флюса.

Рисунок №9 – Шайба с винтиками

Рисунок №10 – Припаянные к шайбе винтики

После того как вы припаяли винтики вам необходимо надеть на шайбу одну резиновую прокладку и непосредственно ваш клапан. Я использовал тонкую резинку от лопнувшего воздушного шарика (это гораздо удобнее чем надевать тонкую фольгу), хотя фольга, тоже подходит довольно удачно, по крайней мере, когда я испытывал свою водородную горелку на предмет взрывоопасности, то в клапане была именно фольга.

Рисунок №11 – Надеваем прокладку и защитную резинку

Потом надеваем вторую прокладку и можно вставлять защиту в отверстия, проделанные в крышке.

Рисунок № 12 – Готовый клапан

Рисунок №13 – Элементы защиты

Вторая шайба и гайки нужны, что бы герметично и крепко зафиксировать защиту, закручивая гайки (посмотрите на рисунок №6).

Поймите правильно и примите к сведенью, нельзя пренебрегать правилами техники безопасности, особенно когда работаете со взрывоопасными газами. А такое нехитрое приспособление может спасти вас от неприятных неожиданностей. Работает защита по принципу «где тонко – там и рвётся», взрывом выбивает защитную плёнку (фольгу или резинку), и взрывная сила не идёт в электролизёр, к тому же этому препятствует ещё и водяной затвор. Поверьте на слово, если взорвётся электролизер, то мало вам не покажется:)!!!

Рисунок №14 – Взрыв

Следует понимать что аварийная ситуация обязательно неминуема. Дело в том, что пламя горит на выходе форсунки, (в качестве которой достаточно неплохо подходит иголка от одноразового шприца) только потому, что создается давление газа (давление согласовано).

Рисунок № 15 – Форсунка из шприца, на пьедестале

К примеру, вы работаете вашей горелкой и вот вырубило свет, поверьте! Вы не успеете отскочить от горелки, пламя моментально пойдёт обратно по трубке и прогремит взрыв защитного клапана (он и нужен что бы рванул он а не электролизёр) – это вполне нормально, когда горелка самодельная – будьте бдительны и осторожны, держитесь подальше от водородной горелки и надевайте средства индивидуальной защиты!

Лично я не в большом восторге от водородной горелки, я и попробовал её сделать только по тому, что у меня уже был готовый электролизёр. Во-первых, это очень опасно, во-вторых не очень эффективно (я говорю о своей водородной горелке а не о горелках в целом) расплавить ею то что я хотел не удалось. И потому если вам пришла в голову идея сделать такого типа горелку задайте себе вполне рациональный вопрос «а оно того стоит», так как собрать электролизёр с нуля это достаточно хлопотное дело, а ещё нужен мощный блок питания такой что бы хватало для согласования давления водорода и диаметра выходной форсунки. Потому, «лишь бы было» я вам её делать не рекомендую, а только если она вам действительно нужна.

Живую и мертвую воду получить довольно легко. Проще всего провести электролиз в стакане воды с помощью двух карандашей, проводков и трех батареек. Такой «домашний» электролиз прекрасно описывает О. Ольгин в своей книге «Опыты без взрывов».

«Возьмите чайный стакан, расширяющийся кверху. Приготовьте фанерный кружок и прижмите его к стенке стакана в 3–4 см выше дна. В кружке заранее просверлите два отверстия (или вырежьте в нем по диаметру прорезь), неподалеку шилом проколите два отверстия: через них будут проходить проводки.

В большие отверстия или в прорезь вставьте два карандаша длиной 5–6 см, очиненные с одного конца. Карандаши, точнее, их грифели, будут служить электродами.

На неочиненных концах карандашей сделайте зарубки, чтобы обнажились грифели, и примотайте к ним оголенные концы проводков. Проводки скрутите и тщательно обмотайте изоляционной лентой; чтобы изоляция была совсем надежной, лучше всего спрятать проводки в резиновых трубках. Все детали прибора готовы, остается только собрать его, то есть вставить кружок с электродами внутрь стакана.

Поставьте стакан на тарелку, налейте в него до краев воду и добавьте раствор соды Na 2 CO 3 из расчета 2–3 чайные ложки на стакан воды. Таким же раствором заполните две пробирки. Одну из них закройте большим пальцем, переверните вверх дном и погрузите в стакан так, чтобы в нее не попал ни один пузырек воздуха. Под водой наденьте пробирку на электрод-карандаш. Точно так же поступите со второй пробиркой.

Батарейки – числом не менее трех – нужно соединить последовательно, «плюс» одной к «минусу» другой, а к крайним батарейкам подсоединить проводки от карандашей. Сразу начнется электролиз раствора. Положительно заряженные ионы водорода Н+ направятся к отрицательно заряженному электроду – катоду, присоединят там электрон и превратятся в газ – водород. Когда у карандаша, подсоединенного к «минусу», соберется полная пробирка водорода, ее можно вынуть и, не переворачивая, поджечь газ. Он загорится с характерным звуком. У другого электрода, положительного (анода), выделится кислород. Наполненную им пробирку закройте пальцем под водой, выньте из стакана, переверните, внесите тлеющую лучинку – она загорится.

Итак, из воды Н 2 О получился и водород Н 2 , и кислород О 2 ; а для чего же сода? Для ускорения опыта. Чистая вода плохо проводит электрический ток, электрохимическая реакция идет в ней слишком медленно.

С тем же прибором можно поставить еще один опыт – электролиз насыщенного раствора поваренной соли NaCl . В этом случае одна пробирка наполнится бесцветным водородом, а другая – желто-зеленым газом. Это хлор, который образуется из поваренной соли. Хлор легко отдает свой заряд и первым выделяется на аноде.

Пробирку с хлором закройте пальцем под водой, переверните и встряхните, не отнимая пальца. В пробирке образуется раствор хлора – хлорная вода. У нее сильные отбеливающие свойства. Например, если добавить хлорную воду к бледно-синему раствору чернил, то он обесцветится».

Это описание простейшего бездиафрагменного электролизера и простейшего процесса электролиза. Нас же интересует не то, что выделится на аноде или катоде, а то, что произойдет в воде при электролизе, что в ней изменится и что сделает из обыкновенной воды лечебное средство, помогающее при многих заболеваниях.

Хотя аппарат для получения живой и мертвой воды довольно прост, не стоит его делать самим.

Вот авторитетное мнение специалиста по этому поводу: «Приготовление активированной воды в самодельных установках с электродами из нержавеющей стали чревато серьезной опасностью для здоровья тех, кто пытается такую воду пить. Нержавеющая сталь, подавляющее большинство металлов и сплавов не стойки к анодному растворению.

При пропускании электрического тока электроды, изготовленные из этих материалов, растворяются, и ионы никеля, хрома, ванадия, молибдена переходят в воду, отравляя ее. При изготовлении электроактиваторов, предназначенных для медицинских исследований, обычно используют стойкие материалы. В частности, для изготовления анодов – никель или титан, катодов – платину, сверхчистый графит. Для диафрагм берут пористый фторопласт или керамику».

Таким образом, вывод один: электролизер надо купить.
Если вы захотите приобрести аппарат – загляните в конец книги, в приложение. Там представлены аппараты-электролизеры различных фирм – на любой вкус: от простых и дешевых до дорогих, с компьютерным управлением.

ВНИМАНИЕ! Все инструкции по применению активированных растворов рассчитаны на аппараты, описанные в конце книги, и не подходят для других аппаратов!

Раньше загородные дома можно было отапливать только одним способом – растапливали печь дровами или углем. Сегодня же для отопления частного дома используют разнообразное топливо: дизель, мазут, природный газ, электричество. Однако с ростом цен на топливо многие владельцы домов стараются найти более дешевый способ отопления. Одним из них является обычная вода, которую использует водородный генератор для образования такого топлива, как водород. Водород является неиссякаемым источником энергии. Его можно применять не только для обогрева помещений, но и для автомобиля.

Генератор водорода: устройство и его принцип работы

Использовать водород для обогрева жилых домов очень выгодно, так как он обладает высокой теплотворной способностью и при этом не происходит выделения вредных веществ. Однако в чистом виде добыча водорода невозможна, большое содержание его находится в реках, морях и океанах. Организм человека даже состоит из 63% водорода.

Чистый водород можно получать из многих различных химических соединений, например, водорода и кислорода. Самый известный способ получения водорода – это электролиз воды.

Чтобы получить чистый водород необходимо воду расщепить на два атома (НН) водорода и атом кислорода (О). Это и есть принцип работы водяного генератора: получение водорода с помощью электролиза. Газ, который выделяется при этом, назвали в честь великого физика Брауна и он имеет формулу ННО. Такой газ при сгорании не образует вредных веществ и является экологически чистым продуктом. Однако смесь водорода с кислородом образует в итоге горючий газ, который является взрывоопасным. Поэтому используя в домашних условиях электролизер, нужно соблюдать дополнительные меры безопасности.

Водяной двигатель имеет такое устройство:

• Генератор водородного типа, где и происходит электролиз;
• Горелка, она устанавливается в самой топке;
• Котел, он выполняет функцию теплообменника.

На производство такого газа, как браун, используется в четыре раза меньше энергии, чем выделяется при его сгорании. Электричество при этом расходуется очень экономно, а топливо, которое ему необходимо – это обычная вода.

Водородный генератор: его достоинства и недостатки

Сегодня электролизёр является таким же привычным устройством, как например, плазменный резак или ацетиленовый электрогенератор. Такая электролизная установка, работающая на воде (печка), стала достаточно популярной, ее применяют для обогрева частных домов, а так же устанавливают на мотоцикл или авто для экономии топлива.

Водородный генератор является экологически чистым топливом, единственным отходом, который он вырабатывает, есть вода. Она выделяется в газообразном состоянии и известна нам, как водяной пар. А он, в свою очередь, никакого негативного влияния на окружающую среду не оказывает.

Такое устройство обладает и другими положительными достоинствами, но так же и недостатками. Самый важный недостаток – это его взрывоопасность. Однако соблюдая все предосторожности и правила безопасности, можно избежать негативных последствий.

Водородный реактор имеет свои преимущества:

• Работает на воде;
• Экономит электричество;
• Является экологически чистым;
• Высокий КПД;
• Простота обслуживания.

Такой прибор HHO можно приобрести в готовом виде в специализированном магазине, стоит он будет, конечно совсем не дешево. Однако можно сделать его и своими руками из доступных деталей, сэкономив при этом приличную сумму. Однако ему нужна защита от воды и отдельный домик для хранения.

Самодельный водородный генератор: пошаговая инструкция

Изготовление водородного генератора можно осуществит в домашних условиях, но для этого будут нужны чертежи и пошаговая инструкция всего процесса. Схема электролизера очень проста (ее можно смотреть в интернете), поэтому каких-либо специфических материалов практически не понадобится.

Для создания самодельного генератора водорода нам понадобятся некоторые инструменты и материалы: пластиковый контейнер или полиэтиленовая канистра с крышкой, прозрачная трубка длиной 1м, с диаметром 8 мм, болты, гайки, силиконовый герметик, лист нержавейки, 3 штуцера, обратный клапан, фильтр, ножовка по металлу, гаечные ключи и нож.

Собрав все это, можно приступать к его изготовлению. Сборка осуществляется по чертежам, которые можно найти в интернете или же заказать у специалиста.

Инструкция изготовления:

• Из листа нержавейки вырезаем 16 одинаковых пластин.
• Сверлим отверстие в одном из углов. Угол должен быть одинаковым у всех 16.
• Противоположный угол обязательно спиливаем.
• Устанавливаем пластины поочередно на приготовленные болты, изолируя их шайбами и полиэтиленовыми трубками. Они не должны контактировать между собой.
• Стягиваем всю конструкцию гайками, получается батарея.
• Крепим данную конструкцию в пластиковую емкость, отверстия смазать герметиком.
• Просверливаем отверстия в крышке, обрабатываем их так же силиконом, затем вставляем штуцера.

Самодельный кислородный гидролизер готов. Теперь его только нужно проверить на работоспособность. Для этого нужно заполнить емкость водой до болтов крепления и закрыть ее крышкой. Одеваем на один из трех штуцеров шланг из полиэтилена, а второй его коней опускаем в отдельную емкость, заполненную так же водой. К болтам нужно подключить электричество, если на поверхности появились пузырьки, значит, генератор работает и выделяет водород. После такого подключения и проверки, воду сливаем, а затем заливаем в емкость готовый щелочной электролит, чтобы получить больше выделяемого газа.

Электролизер для автомобиля: виды катализаторов

Водородный генератор, при установке, способен снизить расход топлива у легковых или грузовых машин, мотоциклов, а так же сократит выброс в атмосферу вредных веществ. На сегодняшний день, такой генератор для автомобиля приобретает популярность. Процесс электролиза в авто происходит благодаря применению специального катализатора. В конечном итоге получается оксиводород (ННО), который смешиваясь с топливом, что и способствует его полному сгоранию.

Благодаря такой установке можно сэкономить горючее на 50%. А так же, установив данную конструкцию в свой автомобиль, вы не только уменьшите токсичные выхлопы, но и: увеличите эксплуатационный срок двигателя, снизите температуру самого мотора и при этом повысите мощность всего силового агрегата.

Все процессы, которые происходят в водородном генераторе, происходят автоматически по специальной программе. Эта программа вшита в компьютер, который и управляет всем автомобилем. Машина без него попросту не будет работать.

Существует несколько видов катализаторов:

• Цилиндрические;
• С открытыми пластинами или их еще называют сухими;
• С раздельными ячейками.

Самостоятельно водородный генератор можно изготовить, однако специалисты делать этого не рекомендуют, так как это устройство очень сложное по конструкции и при этом еще не безопасно. Если вы все же решили сделать его сами, тогда лучше всего подойдет для этих целей аккумулятор, вышедший из строя.

При котором жидкость или, иначе говоря, электролит, распадается на положительные и отрицательные ионы. Происходит это под воздействием электрического тока. Каким же образом протекает данный процесс?

Электролиз воды происходит из-за того, что электрический ток, проходя через электролит, вызывает реакцию на электродах, на которых и оседают положительные и отрицательные ионы. На отрицательно заряженном электроде (катоде) оседают катионы, соответственно, на положительном (аноде) — анионы. Электролит может состоять из воды, в которую добавлена кислота или же представляет собой раствор солей. Распад солей на металл и кислотный остаток возникает после того, как через электролит пропускается электрический ток. Заряженный положительным электричеством металл подходит к катоду (отрицательно заряженному электроду), именно этот металл и называется катионом. Кислотный остаток, отрицательно заряженный, стремится к аноду (положительно заряженному электроду), и называется анионом. Электролиз дает возможность получения из солей хорошо очищенных элементов, благодаря чему находит широкое применение в разнообразных отраслях современной промышленности.

Электролиз воды жизненно необходим сегодня, когда тысячи предприятий применяют воду для отдельных этапов своего производства. Объясняется это тем, что после большинства процессов, которые выполняются на предприятиях, вода после использования превращается в опасную для людей и живой природы жидкость. Электролиз воды служит для очистки сточных вод, которые не должны попадать в землю или же в источники чистой воды. Эти сточные воды необходимо очищать для того, чтобы не допустить экологическую катастрофу, риск которой и так уже достаточно высокий во многих регионах России.

Сегодня существует несколько методов электролиза воды. К ним относится электроэкстракция, электрокоагуляция и электрофлотация. Электролиз воды, применяемый для очистки сточных вод, производится в электролизерах. Это специальные сооружения, в которых разлагаются на металлы, кислоты и другие вещества, относящиеся к категории неорганического происхождения. Особенно важно проводить очистку сточных вод на вредных производствах, таких как предприятия химической промышленности, там, где ведутся работы с медью и свинцом, а также на комбинатах, выпускающих краски, лаки, эмали. Безусловно, это далеко не дешевый способ очистки воды при помощи электролиза, но затраты, связанные с очисткой воды, не идут ни в какие сравнения со здоровьем человека и заботой об окружающей среде.

Интересный факт, но можно осуществить электролиз воды в домашних условиях. Этот процесс не займет много времени и средств и даст возможность для и водорода. В емкость с водой, в которой предварительно растворена соль, (соли необходимо взять не менее ¼ объема воды), опускаются два электрода. Их можно сделать из любого металла. Электроды подключаются к источнику питания с силой тока не менее 0,5 А. На одном из электродов образуются пузыри, что и говорит о том, что электролиз воды в домашних условиях проходит успешно. Данным способом можно получить едкий натрий, хлор и другие химические элементы, в зависимости от того, из чего состоит электролит. Плазменный электролиз воды применяют в плазмотеплолизерах. Это новейшее современное устройство, работающее в режимах плазменного электролиза воды и ее непосредственного нагрева до определенных температур. Плазменный электролиз воды дает возможность для получения новых видов энергии, в которой с каждым днем все больше нуждается человечество. Энергия, которую можно будет получать из воды, даст возможность для создания новых, безопасных и эффективных видов источников энергии. Явления плазменного электролиза воды еще не изучены до конца, но они имеют огромные перспективы и поэтому интенсивно изучаются современными учеными.

Электролиз широко используется в производственной сфере, например, для получения алюминия (аппараты с обожженными анодами РА-300, РА-400, РА-550 и т.д.) или хлора (промышленные установки Asahi Kasei). В быту этот электрохимический процесс применялся значительно реже, в качестве примера можно привести электролизер для бассейна Intellichlor или плазменный сварочный аппарат Star 7000. Увеличение стоимости топлива, тарифов на газ и отопление в корне поменяли ситуацию, сделав популярной идею электролиза воды в домашних условиях. Рассмотрим, что представляют собой устройства для расщепления воды (электролизеры), и какова их конструкция, а также, как сделать простой аппарат своими руками.

Что такое электролизер, его характеристики и применение

Так называют устройство для одноименного электрохимического процесса, которому требуется внешний источник питания. Конструктивно это аппарат представляет собой заполненную электролитом ванну, в которую помещены два или более электродов.

Основная характеристика подобных устройств – производительность, часто это параметр указывается в наименовании модели, например, в стационарных электролизных установках СЭУ-10, СЭУ-20, СЭУ-40, МБЭ-125 (мембранные блочные электролизеры) и т.д. В данных случаях цифры указывают на выработку водорода (м 3 /ч).

Что касается остальных характеристик, то они зависят от конкретного типа устройства и сферы применения, например, когда осуществляется электролиз воды, на КПД установки влияют следующие параметры:

Таким образом, подавая на выходы 14 вольт, мы получим 2 вольта на каждой ячейке, при этом на пластинах с каждой стороны будут разные потенциалы. Электролизеры, где используется подобная система подключения пластин, называются сухими.

1. Расстояние между пластинами (между катодным и анодным пространством), чем оно меньше, тем меньше будет сопротивление и, следовательно, больший ток пройдет через раствор электролита, что приведет к увеличению выработки газа.
2. Размеры пластины (имеется в виду площадь электродов), прямо пропорциональны току, идущему через электролит, а значит, также оказывают влияние на производительность.
3. Концентрация электролита и его тепловой баланс.
4. Характеристики материала, используемого для изготовления электродов (золото – идеальный материал, но слишком дорогой, поэтому в самодельных схемах используется нержавейка).
5. Применение катализаторов процесса и т.д.

Как уже упоминалось выше, установки данного типа могут использоваться как генератор водорода, для получения хлора, алюминия или других веществ. Они также применяются в качестве устройств, при помощи которых осуществляется очистка и обеззараживание воды (УПЭВ, VGE), а также проводится сравнительный анализ ее качества (Tesp 001).

Нас, прежде всего, интересуют устройства, производящие газ Брауна (водород с кислородом), поскольку именно эта смесь имеет все перспективы для использования в качестве альтернативного энергоносителя или добавок к топливу. Их мы рассмотрим чуть позже, а пока перейдем к конструкции и принципу работы простейшего электролизера, расщепляющего воду на водород и кислород.

Устройство и подробный принцип работы

Аппараты для производства гремучего газа, в целях безопасности, не предполагают его накопление, то есть газовая смесь сжигается сразу после получения. Это несколько упрощает конструкцию. В предыдущем разделе мы рассмотрели основные критерии, влияющие на производительность аппарата и накладывающие определенные требования к исполнению.

Принцип работы устройства демонстрирует рисунок 4, источник постоянного напряжения подключен к погруженным в раствор электролита электродам. В результате через него начинает проходить ток, напряжение которого выше точки разложения молекул воды.

Рисунок 4. Конструкция простого электролизера

В результате этого электрохимического процесса катод выделяет водород, а анод – кислород, в соотношении 2 к 1.

Виды электролизеров

Кратко ознакомимся с конструктивными особенностями основных видов устройств для расщепления воды.

Сухие

Конструкция прибора данного типа была показана на рисунке 2, ее особенность заключается в том, что манипулируя количеством ячеек, можно запитать устройство от источника с напряжением, существенно превышающим минимальный электродный потенциал.

Проточные

С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 5. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».

Рис 5. Конструкция проточного электролизера

Принцип работы устройства следующий:

• входе электрохимического процесса газ вместе с электролитом выдавливается в емкость «D» через трубу «В»;
• в баке «D» происходит отделение от электролитного раствора газа, который выводится через выходной клапан «С»;
• электролит возвращается в гидролизную ванну через трубу «Е».

Мембранные

Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 6.

Рис 6. Электролизер мембранного типа

Основная особенность таких устройств заключается в двойном назначении мембраны, она не только переносит протоны и ионы, а и на физическом уровне разделяет как электроды, так и продукты электрохимического процесса.

Диафрагменные

В тех случаях, когда не допустима диффузия продуктов электролиза между электродными камерами, используют пористую диафрагму (что и дало название таким приборам). Материалом для нее может служить керамика, асбест или стекло. В некоторых случаях для создания такой диафрагмы можно использовать полимерные волокна или стеклянную вату. На рисунке 7 показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.

Пояснение:

1. Выход для кислорода.
2. U-образная колба.
3. Выход для водорода.
4. Анод.
5. Катод.
6. Диафрагма.

Щелочные

Электрохимический процесс невозможен в дистиллированной воде, в качестве катализатора применяется концентрированный раствор щелочи (использование соли нежелательно, так как при этом выделяется хлор). Исходя из этого, щелочными можно назвать большую часть электрохимических устройств для расщепления воды.

На тематических форумах советуют использовать гидроксид натрия (NaOH), который, в отличие от пищевой соды (NaHCO 3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:

1. Можно использовать железные электроды.
2. Не выделяются вредные вещества.

Но, один существенный недостаток сводит на нет все преимущества пищевой соды, как катализатора. Ее концентрация в воде не более 80 грамм на литр. Это снижает морозостойкость электролита и его проводимость тока. Если с первым еще можно смириться в теплое время года, то второе требует увеличения площади пластин электродов, что в свою очередь, увеличивает размер конструкции.

Электролизер для получения водорода: чертежи, схема

Рассмотрим, как можно сделать мощную газовую горелку, работающую от смеси водорода с кислородом. Схему такого устройства можно посмотреть на рисунке 8.

Рис. 8. Устройство водородной горелки

Пояснение:

1. Сопло горелки.
2. Резиновые трубки.
3. Второй водяной затвор.
4. Первый водяной затвор.
5. Анод.
6. Катод.
7. Электроды.
8. Ванна электролизера.

На рисунке 9 представлена принципиальная схема блока питания для электролизера нашей горелки.

Рис. 9. Блок питания электролизной горелки

На мощный выпрямитель нам понадобятся следующие детали:

• Транзисторы: VT1 – МП26Б; VT2 – П308.
• Тиристоры: VS1 – КУ202Н.
• Диоды: VD1-VD4 – Д232; VD5 – Д226Б; VD6, VD7 – Д814Б.
• Конденсаторы: 0,5 мкФ.
• Переменные резисторы: R3 -22 кОм.
• Резисторы: R1 – 30 кОм; R2 – 15 кОм; R4 – 800 Ом; R5 – 2,7 кОм; R6 – 3 кОм; R7 – 10 кОм.
• PA1 – амперметр со шкалой измерения не менее 20 А.

Краткая инструкция по деталям к электролизеру.

Ванну можно сделать из старого аккумулятора. Пластины следует нарезать 150х150 мм из кровельного железа (толщина листа 0,5 мм). Для работы с вышеописанным блоком питания потребуется собрать электролизер на 81 ячейку. Чертеж, по которому выполняется монтаж, приведен на рисунке 10.

Рис. 10. Чертеж электролизера для водородной горелки

Заметим, что обслуживание такого устройства и управление им не вызывает трудностей.

Электролизер для автомобиля своими руками

В интернете можно найти много схем HHO систем, которые, если верить авторам, позволяют экономить от 30% до 50% топлива. Такие заявления слишком оптимистичны и, как правило, не подтверждаются никакими доказательствами. Упрощенная схема такой системы продемонстрирована на 11 рисунке.

Упрощенная схема электролизера для автомобиля

По идее, такое устройство должно снизить расход топлива за счет его полного выгорания. Для этого в воздушный фильтр топливной системы подается смесь Брауна. Это водород с кислородом, полученные из электролизера, запитанного от внутренней сети автомобиля, что повышает расход топлива. Замкнутый круг.

Безусловно, может быть задействована схема шим регулятора силы тока, использован более эффективный импульсный блок питания или другие хитрости, позволяющие снизить расход энергии. Иногда в интернете попадаются предложения приобрести низкоамперный БП для электролизера, что вообще является нонсенсом, поскольку производительность процесса напрямую зависит от силы тока.

Это как система Кузнецова, активатор воды которой утерян, а патент отсутствует и т.д. В приведенных видео, где рассказывают о неоспоримых преимуществах таких систем, практически нет аргументированных доводов. Это не значит, что идея не имеет прав на существование, но заявленная экономия «слегка» преувеличена.

Электролизер своими руками для отопления дома

Делать самодельный электролизер для отопления дома на данный момент не имеет смысла, поскольку стоимость водорода, полученного путем электролиза значительно дороже природного газа или других теплоносителей.

Также следует учитывать, что температуру горения водорода не выдержит никакой металл. Правда имеется решение, которое запатентовал Стен Мартин, позволяющее обойти эту проблему. Необходимо обратить внимание на ключевой момент, позволяющий отличить достойную идею от очевидного бреда. Разница между ними заключается в том, что на первый выдают патент, а второй находит своих сторонников в интернете.

На этом можно было бы и закончить статью о бытовых и промышленных электролизерах, но имеет смысл сделать небольшой обзор компаний, производящих эти устройства.

Обзор производителей электролизеров

Перечислим производителей, выпускающих топливные элементы на базе электролизеров, некоторые компании также выпускают и бытовые устройства: NEL Hydrogen (Норвегия, на рынке с 1927 года), Hydrogenics (Бельгия), Teledyne Inc (США), Уралхиммаш (Россия), РусАл (Россия, существенно усовершенствовали технологию Содерберга), РутТех (Россия).

Рекомендуем также

Промышленные водородные электролизеры | ЭкоГазСистем

В «Блоке электролиза» вода под действием постоянного электрического тока распадается в электролизере на составляющие ее водород и кислород. Деионизованная вода практически не проводит электрический ток. Поэтому для придания воде проводящих свойств в неё добавляют гидроксид калия (KOH). То есть в электролизере циркулирует не чистая вода, а электролит в виде 30%-го раствора KOH в воде. Выделяющиеся газы (водород и кислород) далее идут по отдельным трактам. Далее рассматривается водородный тракт, кислородный тракт аналогичен водородному.

Водород из электролизера поступает в «Блок сепарации» в виде смеси с электролитом. Для выделения водорода от жидкости служит газожидкостный сепаратор. Сепаратор представляет собой сосуд, в который снизу подаётся электролит. Пузырьки газа выделяются из электролита, газ собирается в верхней части сосуда и уходит в трубопровод. Электролит сливается из сосуда и возвращается в блок электролиза по отдельному трубопроводу (на схеме не показан).

Водород на этом этапе содержит примеси щелочи. Для очистки от щелочи служит скруббер (промыватель). Промыватель – это сосуд, в который снизу подаётся газ, а сверху из разбрызгивателя подаётся деионизованная вода. Капли воды падают вниз, очищая (промывая) встречный поток газа от капель щелочи. В верхней части сосуда установлен коалесцентный фильтр (пакет из мелкой металлической сетки). Мельчайшие капельки щелочи (туман) конденсируются в этом пакете и стекают вниз. Таким образом водород практически полностью очищается от следов щелочи. Далее вода по отдельному трубопроводу (на схеме не показан) поступает в сепаратор, а оттуда – в блок электролиза.

На данном этапе водород насыщен водяным паром и имеет довольно высокую температуру (порядка 50°С. Для его удаления служит конденсатор. Конденсатор – это теплообменник, в котором газ охлаждается хладоносителем поступающим от «Рефрижератора». Рефрижератор может быть часть оборудования водородной станции, но возможен вариант, когда хладоноситель подаётся от внешней системы охлаждения. Водяной пар конденсируется в конденсаторе после чего отводится из системы с помощью конденсатоотводчика. Водород, полученный на этом этапе называется «сырой», так он все еще содержит примеси воды (точка росы не ниже +3°С) и кислорода (на уровне 0,1-0,5%). Для дальнейшей очистки водород подаётся в «Блок очистки». Заметим, что кислород, в случае, если он не нужен потребителю, на аналогичном этапе сбрасывается в атмосферу.

В «Блоке очистки» водород сначала поступает в реактор каталитической очистки. Реактор представляет собой сосуд, заполненный мелкими гранулами катализатора на основе благородных металлов (платина, палладий). В присутствии катализатора примеси кислорода активно реагируют с водородом, обращаясь в воду. Таким образом водород практически полностью очищается от кислорода (содержание кислорода порядка 1-5 ppmv). Далее водород подаётся в осушитель. Осушитель действует на принципе короткоцикловой адсорбции (КЦА). В нем два попеременно работающий сосуда-адсорбера, заполненных специальным поглотителем (адсорбентом). Адсорбент поглощает влагу из газа. Сосуды-адсорберы работают попеременно – один находится в рабочем цикле, другой – в цикле регенерации. Таким образом водород осушается до точки росы -75°С, после чего подаётся потребителю.

Замечание по терминологии. В отечественной традиции используется термин «установка по производству водорода». Наравне с этим используется термин «генератор водорода», который является калькой с английского языка. Под генератором водорода обычно понимают установку, в состав которой входят: электролизер, блок сепарации, блок очистки водорода. Термином «водородная станция» обычно обозначают здание или автономный блок-контейнер, в котором размещены генератор водорода и вспомогательные агрегаты, такие как блок водоподготовки, блок электропитания, система охлаждения и прочее.

Компания РЖД оснастит лабораторию СамГУПС современным оборудованием

На минувшей неделе Самарский государственный университет путей сообщения (Вуз-участник НОЦ мирового уровня «Инженерия будущего») посетил первый заместитель генерального директора ОАО «РЖД», якорный партнёр НОЦ мирового уровня «Инженерия будущего», Сергей Кобзев.

В ходе визита топ-менеджер компании-партнёра Центра познакомился с работой межотраслевой лаборатории «Газомоторное и водородное топливо» и принял решение доукомплектовать лабораторию специальным оборудованием.

Как рассказал руководитель лаборатории «Газомоторное и водородное топливо» Алексей Муратов, до конца года железнодорожники передадут университету устройство для получения водорода из воды за счет солнечной энергии — электролизер. Полученный чистый водород будет применяться на силовых установках для проведения исследований по газомоторной и водородной тематике.

Сейчас водород в лаборатории получают в результате химической реакции в генераторе водорода, на что требуются затраты электроэнергии. Для питания электролизера на крыше лаборатории будут установлены панели солнечных батарей. После установки электролизера и солнечных панелей получение водорода станет менее энергоёмким.

В настоящее время ученые лаборатории совместно с Куйбышевской железной дорогой приступили к реализации проекта по созданию системы получения водорода на борту тепловоза и дальнейшему его использованию в качестве топлива силовой установки, который подразумевает разработку бортового генератора.

В долгосрочной перспективе планируется также создание автоматической системы управления подачей и получения водорода, а также разработка компоновочной схемы тепловоза, работающего с использованием водородного топлива.

Данный научно-технический задел может стать базовой предпосылкой для дальнейших научно-исследовательских работ, посвященных перспективам использования водородного топлива на железнодорожном транспорте.

Фото:   НОЦ мирового уровня «Инженерия будущего»

От водородной энергетики к водородной экономике

Парижское соглашение, принятое в 2016 году, направлено на противодействие глобальному потеплению, основной причиной которого считаются выбросы парниковых газов. Главным виновником антропогенных выбросов в итоге была объявлена энергетика на органическом топливе. Чтобы выполнить требования Парижского соглашения, структура мировой энергетики в ближайшие десятилетия, очевидно, должна претерпеть радикальные изменения. Многие страны мира всерьез говорят о полном отказе от традиционного сырья в пользу водорода. А что Россия? Сегодня научно-образовательные организации и представители промышленного и энергетического секторов пытаются развивать сферу, на которую в России — сырьевой державе, пока смотрят с недоверием. Водород — угроза или новая возможность для нашей страны? Отвечает Юрий Добровольский.

Название изображения

Юрий Анатольевич Добровольский — доктор химических наук, профессор, руководитель Центра компетенций национальной технологической инициативы «Новые и мобильные источники энергии» при Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке.

—Каковы цели и задачи Центра компетенций?

— Наш Центр в числе прочих был образован в конце 2017 года. Его задачи были сформулированы специальной программой — Национальной технологической инициативой. Центр создан с целью преодоления ряда технологических барьеров в рамках «сквозной» технологии для таких рынков НТИ, как Автонет, Аэронет, Маринет и самый «профильный» для нас — Энерджинет. Задача сотрудников центра «Новые и мобильные источники энергии» — разрабатывать новые технологии, создать консорциум из научных, образовательных и технологических партнеров, а также довести до опытных образцов те источники энергии — электрохимические и фотовольтаические, которые сегодня наиболее востребованы.

Когда Центр только создавался, мы уже понимали, что не сможем осваивать те рынки, которые давно заняты на Западе. Нам предстояло сделать сразу несколько шагов вперед и заняться разработкой принципиально новых технологий. Оценив собственные возможности, сотрудники Центра дали прогноз, что в 2020 году самой актуальной тематикой в энергетике и транспорте станет водородная. Как видите, мы не ошиблись.

Поэтому одну из задач — предсказывать новые тенденции — мы реализовали в полном объеме. Сейчас мы должны следовать актуальным направлениям в энергетике и создавать технологии, которые будут популярны в ближайшее время.

—Что входит в понятие «водородная энергетика»? Насколько данный вид энергетики востребован сегодня?

— Я бы шире смотрел на этот вопрос. Речь идет не столько о водородной энергетике как таковой, сколько вообще о водородной экономике. Чем объясняется возросший интерес? Эта тематика напрямую связана с проблемой изменения климата, а также уменьшением выбросов углекислого газа. Если согласиться с теорией антропогенного воздействия, то этой проблематикой, безусловно, надо заниматься. Для меня мотивация вполне ясна.

Решит ли водород все наши проблемы? Сразу скажу, что для энергетики в нынешнем ее понимании, когда ископаемое топливо сжигается, а тепло превращается в электроэнергию, водород — не лучший электроноситель. Между тем, это химический продукт, который активно используется в металлургии, химической и нефтехимической промышленности. Большинство азотных удобрений производится из водорода.

Для нас это шанс «озеленить» не только энергетику, но и всю экономику.

Но, конечно, тема неоднозначна: водород, который мы используем сегодня, нельзя назвать чистым и «зеленым». Что это значит? В свое время международное сообщество для более упрощенного восприятия разделило водород по типу источника на несколько условных цветов. Самый чистый водород, к которому мы сегодня стремимся, — «зеленый». Это водород, получаемый только от возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Данный цикл не предполагает никаких выбросов парниковых газов. Как ученый, оговорюсь, что в мире нет продукции без углеродного следа. При производстве на каком-то из этапов все равно выделяется углекислый газ. Но «зеленый» водород больше всех приблизился к передовым технологиям, исключающим выбросы. Впрочем, нельзя забывать, что водород, полученный путем электролиза, самый дорогой.

Название изображения

«Оранжевый» водород — это водород, полученный с использованием электроэнергии атомных электростанций. И помимо этого существует «серый» и «голубой» водород.  Основная часть самого дешевого водорода, производимого сегодня, — это «серый» водород. Его получают из природного газа методом парогазовой инверсии. Вода смешивается с природным газом, нагревается на катализаторе, и на выходе получается смесь водорода и углекислого газа (с которым мы боремся). «Голубой» водород — это водород, который получен так же, как и «серый», но в данном случае углекислый газ тем или иным способом захоранивают, чтобы не допустить его выделения в атмосферу.

Существует еще «бирюзовый» водород, также полученный из углеводородов, когда на выходе вместе с водородом получается не углекислый газ, а те или иные формы чистого углерода: например, угольная сажа. Это для нас привычный продукт. Мы знаем, где и как его использовать, а главное хранить.

Сегодня водородная энергетика вошла в повестку политиков и экономистов. Во многих странах мира приняты программы по ее развитию. Водород может обеспечить всю цепочку создания разных продуктов.

И пусть водород — не самое лучшее топливо для энергетики,  он очень удобно сочетается с возобновляемой энергетикой — солнечной и ветровой. Цикл производства у возобновляемых источников энергии всегда прерывистый. Поэтому избыток энергии необходимо где-то накапливать, чтобы расходовать его тогда, когда ее не хватает. Пока существующие технологии достаточно дорогие. А водород можно хранить практически бесконечно, и в рамках «зеленой» электроэнергии — использовать как источник энергии для транспорта. Над этим мы сегодня активно работаем.

—Прежде чем использовать водород, его необходимо произвести. Какой опыт наработан в этой сфере?

— Мы как консорциум ведущих научно-образовательных организаций действительно накопили большой опыт в производстве и использовании водорода. Нам удалось наладить разработку и передачу модельных образцов индустриальным партнерам на производство. Здесь, на территории Института проблем химической физики в Черноголовке расположен центр, который традиционно занимается получением водорода и переработкой углеводородов. В нашем институте этой тематикой занимаются на протяжении многих десятилетий. Поэтому, когда сформировался Центр компетенций НТИ, нам было легко начать исследования и разработки, поскольку необходимые навыки в водородной тематике уже были получены.

Мы продолжаем работать над производством «голубого» водорода. Помимо этого, мы сотрудничаем с коллегами из Томска и Москвы в рамках работ по получению пиролизного или «бирюзового» водорода. Кстати сказать, подобные разработки представлены только в нашей стране. Первый прототип уже готов.

Когда речь идет о транспорте — самолете, автомобиле, поезде, необходимо создавать и заправочные системы, желательно дешевые, иначе идея не получит прикладной реализации. И такая заправка у нас есть. С помощью электролизного блока мы пытаемся получить тот самый «зеленый» водород. Правда, пока о его исключительной экологической чистоте речи не идет, поскольку электричество мы все равно получаем из розетки, а не от ветряков или солнечных панелей.

Сейчас наша цель — создать установку для промышленности, на которой можно получать дешевый водород разными способами в зависимости от сырья.

Детали электролизера для получения водорода

Фото: Николай Малахин / Научная Россия

Электролизер для получения водорода

Фото: Николай Малахин / Научная Россия

—Какими результатами уже можно похвастаться?

— За последние полгода мы создали работающий электролизер для заправочной станции. И это очень короткий срок. Считается, что приемлемый цикл от начала разработки до ее первого образца — от 3 до 5 лет.

Перед фирмой, которую возглавляют выпускники аспирантуры нашего института, была поставлена задача сделать первый российский большой электролизер для заправочной станции. Уже этой весной он будет подключен к установке. Буквально за 6 месяцев нам удалось довести технологию до опытного образца с работающей заправкой. Кстати, недавно к нам приезжали зарубежные коллеги для переговоров об испытании водородного транспорта с использованием нашей заправки.

—Есть ли интерес со стороны государства к экспертным прогнозам и технологиям, которые создаете вы и ваши коллеги?

— Интерес очень большой. Но пока словесный. Прошло еще слишком мало времени с тех пор, когда была инициирована программа на государственном уровне. В декабре 2020 года президент Владимир Путин сказал, что в 2023 году в Москве появятся автобусы на водородном топливе. Конечно, в 2023 году таких автобусов в массовом производстве точно еще не будет. Возможно, к этому времени разработают первый опытный экземпляр. Но это слишком короткий срок для строительства необходимой инфраструктуры. Тем не менее, хорошо, что эта тематика появилась в повестке государства.

Помимо этого, Минэнерго положило начало реализации программы развития водородной энергетики в России. Совсем скоро будет готова «дорожная карта». Я вхожу в рабочую группу по ее разработке, а наша аналитика лежит в основе создаваемых сопроводительных документов. Сотрудники центра компетенций реализовали аналитический проект по ситуации с водородной энергетикой в России. Другой схожий проект в очень короткий срок мы выполнили для «Росатома». Кто бы мог подумать, что именно «Росатом» подключится к этой тематике по производству и использованию водорода.

—Россия, будучи сырьевой державой, уже нацелена на развитие водородной энергетики: разработана программа до 2050 года.

— Пока до 2035 года. Но программа до 2050-го также появится в ближайшее время.

—Сможем ли мы перейти к этому источнику энергии и уйти от добычи нефти и газа?

— Вопрос, конечно, сложный. Почему ведутся бурные дискуссии по водороду в России? Во-первых, Россия, надо признать честно, больше не технологическая, а сырьевая держава, и большая часть нашего бюджета основана на экспорте углеводородов. Если внимательно посмотреть на прогнозы европейских компаний, то доля экспорта газа будет уменьшаться за счет возрастающего экспорта водорода. Поэтому возникает логичный вопрос, а надо ли нам в этом участвовать? Не потеряем ли мы часть доходов?

Ясно, что риски существуют, особенно при условии, что Россия станет производить только «голубой» водород. По самым оптимистичным прогнозам, лишь половина водорода будет «зеленым», а вторая половина — «голубым». Другие виды и вовсе не рассматриваются в существующих программах развития, принятых в разных странах.

Плюс ко всему, стремясь к водородной энергетике, мы упираемся в проблему, связанную с транспортировкой водорода: его тяжело хранить и транспортировать. На самом деле, производство водорода оценивается в миллиардах тонн. Но его производят и потребляют в одном месте.

Вопрос экспорта стоит остро и для Европы. Они не смогут произвести столько водорода, сколько планируют использовать в рамках утвержденных программ. А значит, они будут зависимы от импортируемого водорода. Будет ли это Россия, африканские страны или государства Южной Америки — зависит от многих причин, в том числе и от нашей готовности поставлять водород. При этом мы говорим о водороде, который к 2050 году должен сильно «позеленеть».

Название изображения

Очевидно, что потребление природного газа уменьшится. Заменим ли мы его водородом или нет, пока неясно. Хотя вопрос транспортировки частично решен, поскольку трубопроводный способ доставки водорода —  самый дешевый.

Основная идея, которую я (и некоторые политические деятели) продвигаю, заключается в том, что без внутреннего потребления водорода и необходимой инфраструктуры Россия сильно отстанет. Мы можем построить ветряки, электролизеры и прочее, но они будут бесполезны без экспорта и внутреннего потребления. Для России наиболее правильным направлением для внутреннего потребления водорода можно считать транспорт. Существующие электромобили на аккумуляторах непригодны для больших расстояний и порой суровых погодных условий нашей страны. Водородные топливные элементы, а также производимое ими избыточное тепло, которое можно использовать для нагрева, — замечательная альтернатива. Это и есть то самое преимущество водородной энергетики конкретно для России или других холодных стран.

Это направление может стать драйвером нашей экономики. Есть шанс спасти отечественный автопром от отставания. Большой интерес проявляют «КамАЗ», «ГАЗ» — ведущие объединения машиностроительной группы. Даже РЖД планирует перевести локомотивы на водород.

Второе интересующее нас направление связано с экспортом металлов, азотных удобрений и других продуктов химической промышленности. При введении углеродного налога, производство «зеленого» водорода станет значительно выгоднее, а у нас появится новое конкурентное преимущество.

В конце концов, водородное топливо наиболее экологически чистое. В процессе его использования остается только вода. И единственный способ решения экологической проблемы напрямую связан с введением электрического, а для России — водородного транспорта.

Совсем скоро выйдет статья, основанная на нашем расчете показателей экономики и выбросов углекислого газа разных видов автобусов, из которого следует, что для московского региона водородный автобус — это уже сегодня экологически оправданное явление.

Название изображения

—Какие научные задачи необходимо решить в первую очередь? Вы много говорили о технологиях, о создании мобильных источников энергии и аккумуляторов к ним. А что насчет фундаментальных задач?

— Их фантастически много на каждой стадии получения, хранения, транспортировки и переработки в электроэнергию или любой другой продукт. Одна из наиболее актуальных задач связана с получением водорода более дешевым, чем электролиз, способом. Например, фотокатализом — фотобиологическое получение водорода буквально из грязи.

Вторая фундаментальная задача связана с хранением водорода. Пока мы до конца не научились правильно транспортировать и хранить водород. Именно поэтому стоимость водорода по большей части складывается из цены логистики: хранения и передачи. Есть много интересных работ в этом направлении: например, хранение водорода в различных органических соединениях.

Третью задачу пытаемся решить в том числе и мы. Речь идет о создании топливных элементов. Сегодня активно используется только два типа топливных элементов: твердополимерные и твердооксидные. Самая перспективная область развития связана со среднетемпературными топливными элементами. Опытные образцы уже существуют. Однако их эффективность гораздо хуже, чем у тех, которые мы уже используем. Я надеюсь, что в дальнейшем эти технологии продвинутся вперед и обеспечат нас новыми видами экологически чистого транспорта и другими передовыми решениями.

—Что ждет водородную энергетику в будущем?

— Ближайшие пять лет нас ждет множество новых способов получения водорода и отдельные работы по транспортировке: из Австралии в Японию морем, по трубопроводам европейских государств, внутренняя транспортировка по стране, в органических и неорганических носителях и так далее. Мы точно не знаем, какой из способов в итоге будет предпочтительным, но экспериментировать в этой области точно продолжат в ближайшие годы.

Помимо этого, ожидается всплеск интереса к водородной технике. В Европе он уже происходит прямо сейчас. Совсем недавно к нам приезжали сотрудники одного из крупнейших автобусных производителей — фирмы Solaris. По их сведениям, заказы на водоробусы уже полностью сформированы до 2022. При этом на электробусы, которые они также массово выпускают — только до середины 2021-го.

Отдельная история для России: локомотивы нового поколения. Расчеты указывают на то, что водородный локомотив будет востребован. Опытный образец появится в России уже в следующем году.

Активно будет развиваться и водный транспорт. Уже сегодня экологические нормы на каботажные суда (те, которые ходят между морскими портами одного и того же государства) предполагают нулевое загрязнение окружающей среды. А этого можно достичь только двумя способами: использовать аккумулятор либо водород.

И, конечно, нельзя забывать об авиации. К сожалению, в России слабо развита сфера гражданского авиастроения. При этом, на Западе это направление активно развивается. Прогнозы предполагают, что короткие рейсы на малых самолетах точно перейдут на водород, а в крупных самолетах появятся вспомогательные силовые установки на водороде. Такие гиганты, как «Boeing» и «Airbus» заявили, что в 2035 году их самолеты будут летать на водородном топливе. Скажу честно, я скептически к этому отношусь. Напомню, что один из первых самолетов на водородном топливе — «Ту-155» — летал в СССР еще в прошлом веке. «Boeing» и «Airbus» пытаются по-новому спроектировать что-то подобное.

Конечно, использование водорода иногда может быть не оправдано. Но мы все чаще говорим о переходе от углеводородной экономики на экономику возобновляемых источников энергии, и водород — один из ключевых компонентов.

Название видео

Получение водорода с помощью алюминия. Делаем «Мистер Фьюжн» (водород из алюминия). Лабораторный метод получения водорода

Удорожание энергоносителей стимулирует поиск более эффективных и , в том числе на бытовом уровне. Более всего умельцев–энтузиастов привлекает водород, чья теплотворная способность втрое превышает показатели метана (38.8 кВт против 13.8 с 1 кг вещества). Способ добычи в домашних условиях, казалось бы, известен – расщепление воды путем электролиза. В действительности проблема гораздо сложнее. Наша статья преследует 2 цели:

• разобрать вопрос, как сделать водородный генератор с минимальными затратами;
• рассмотреть возможность применения генератора водорода для отопления частного дома, заправки авто и в качестве сварочного аппарата.

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H 2 O → 2H 2 + O 2 — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

• реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
• металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
• второй резервуар играет роль водяного затвора;
• трубки для отвода газа HHO.

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Примечание. Подробно о работе схемы рассказывается на ресурсе http://www.meanders.ru/meiers8.shtml.

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

• цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
• трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
• провода, изоляторы.

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Под ячейку Мейера можно приспособить готовый пластиковый корпус от обычного водопроводного фильтра

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Принципиальная схема включения электролизера

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

• резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
• концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
• шпильки стяжные М10-14;
• обратный клапан для газосварочного аппарата;
• фильтр водяной под гидрозатвор;
• трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
• гидроокись калия в виде порошка.

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Схема водородной установки мокрого типа

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

1. На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7-15% раствор гидроокиси калия в воде.
2. В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
3. Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Выгодно ли получать водород в домашних условиях

Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:

• использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
• бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
• применять для газосварочных работ.

Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.

Вспомним, что мы писали в первом разделе. Hydrogen – весьма активный элемент и реагирует с кислородом самостоятельно, выделяя уйму тепла. Пытаясь разделить устойчивую молекулу воды, мы не можем подвести энергию непосредственно к атомам. Расщепление производится за счет электричества, половина которого рассеивается на подогрев электродов, воды, обмоток трансформаторов и так далее.

Важная справочная информация. Удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м³ гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана. Ведь водород – легчайший химический элемент.

Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:

Для справки. Чтобы сжигать гидроген в отопительном котле, придется основательно переработать конструкцию, поскольку водородная горелка способна расплавить любую сталь.

Заключение

Гидроген в составе газа ННО, полученный из самодельного водородного генератора, пригодится для двух целей: экспериментов и газосварки. Даже если отбросить низкий КПД электролизера и затраты на его сборку вместе с потребляемым электричеством, на обогрев здания попросту не хватит производительности. Это касается и бензинового двигателя легковой машины.

Электролиз воды — это самый старый способ получения водорода. Пропуская постоянный ток через воду, на катоде накапливается — водород, а на аноде — кислород. Получение водорода электролизом очень энергозатратный производство, поэтому используется исключительно в тех областях, где данный газ достаточно ценен и необходим.

Получение водорода в домашних условиях достаточно легкий процесс и есть несколько способов сделать это:

1. Нам понадобится раствор щелочи не пугайтесь этих названий т.к. все это есть в свободном доступе.

Например, средство для очистки труб «крот» отлично подойдет по составу. Насыпаем в колбу немного щелочи и заливаем 100 мл воды;

Тщательно перемешиваем для полного растворения кристаллов;

Добавляем несколько небольших кусочков алюминия;

Ждем около 3-5 минут, пока реакция будет проходить максимально быстро;

Добавляем дополнительно несколько кусочков алюминия и 10-20 грамм щелочи;

Закрываем резервуар специальной колбой с трубкой, которая ведет в резервуар для сбора газа и ждем несколько минут пока воздух не выйдет под давлением водорода из сосуда.

2. Выделение водорода из алюминия, пищевой соли и сульфата меди.

В колбу насыпаем сульфат меди и чуть больше соли;

Разбавляем все водой и хорошо перемешиваем;

Ставим колбу в резервуар с водой, так как при реакции будет выделяться много тепла;

В остальном все нужно делать так же как в первом способе.

3. Получение водорода из воды путем пропускания тока в 12В через раствор соли в воде. Это самый простой способ и больше всего подходит для домашних условий. Единственный минус этого способа в том, что водорода выделяется сравнительно мало.

Итак. Теперь вы знаете, как получить водород из воды и не только. Вы можете проводить очень много экспериментов. Не забывайте придерживаться правил безопасности во избежание травм.

Получение водорода в домашних условиях

Способ 1.

Используемый раствор щелочи — едкого кали, либо едкого натра. Выделяемый водород более чистый, чем при реакции кислот с активными металлами.

Закупориваем колбу, пробиркой с трубкой ведущей сосуд для сбора газа. Ждем примерно 3 -5 мин. пока водород вытеснит воздух из сосуда.

2Al + 2NaOH + 6h4O → 2Na + 3h4

Способ 2.

В колбу насыпаем немного сульфата меди, и соли. Добавляем воду и перемешиваем до полного растворения. Раствор должен, окрасится в зеленый цвет, если этого не произошло, добавьте еще небольшое количество соли.

Способ 3.

Zn + 2HCl → ZnCl2 + h4

Способ 4.

Пропускаем через раствор воды и проваренной соли электрический ток. При реакции, будет выделятся водород и кислород.

Получение водорода электролизом воды.

Давно хотел сделать подобную штуку. Но дальше опытов с батарейкой и парой электродов не доходило. Хотелось сделать полноценный аппарат для производства водорода, в количествах для того чтобы надуть шарик. Прежде чем делать полноценный аппарат для электролиза воды в домашних условиях, решил все проверить на модели.

Эта модель не подходит для полноценной ежедневной эксплуатации. Но проверить идею удалось. Итак для электродов я решил применить графит. Прекрасный источник графита для электродов это токосъемник троллейбуса. Их полно валяется на конечных остановках. Нужно помнить, что один из электродов будет разрушаться.

Пилим и дорабатываем напильником. Интенсивность электролиза зависит от силы тока и площади электродов. К электродам прикрепляются провода. Провода должны быть тщательно изолированы. Для корпуса модели электролизера вполне подойдут пластиковые бутылки. В крышке делаются дырки для трубок и проводов. Все тщательно промазывается герметиком.

Для соединения двух ёмкостей подойдут отрезанные горлышки бутылок. Их необходимо соединить вместе и оплавить шов. Гайки делаются из бутылочных крышек. В двух бутылках в нижней части делаются отверстия. Все соединяется и тщательно заливается герметиком.

В качестве источника напряжения будем использовать бытовую сеть 220в. Хочу предупредить, что это довольно опасная игрушка. Так что, если нет достаточных навыков или есть сомнения, то лучше не повторять. В бытовой сети у нас ток переменный, для электролиза его необходимо выпрямить. Для этого прекрасно подойдет диодный мост. Тот что на фотографии оказался не достаточно мощным и быстро перегорел. Наилучшим вариантом стал китайский диодный мост MB156 в алюминиевом корпусе.

Диодный мост сильно нагревается. Понадобится активное охлаждение. Кулер для компьютерного процессора подойдет как нельзя лучше. Для корпуса можно использовать подходящую по размеру распаячную коробку. Продается в электротоварах.

Под диодный мост необходимо подложить несколько слоев картона. В крышке распаячной коробки делаются необходимые отверстия. Так выглядит установка в сборе. Электролизер запитывается от сети, вентилятор от универсального источника питания. В качестве электролита применяется раствор пищевой соды. Тут нужно помнить, что чем выше концентрация раствора, тем выше скорость реакции. Но при этом выше и нагрев. Причем свой вклад в нагрев будет вносить реакция разложения натрия у катода. Эта реакция экзотермическая. В результате неё будет образовываться водород и гидроксид натрия.

Тот аппарат, что на фото выше, очень сильно нагревался. Его приходилось периодически отключать и ждать пока остынет. Проблему с нагревом удалось частично решить путем охлаждения электролита. Для этого я использовал помпу для настольного фонтана. Длинная трубка проходит из одной бутылки в другую через помпу и ведро с холодной водой.

Место подсоединения трубки к шарику хорошо снабдить краником. Продаются в зоомагазинах в отделе для аквариумов.

Основные знания по классическому электролизу.

Принцип экономичности электролизёра для получения газа h4 и O2.

Наверняка все знают, если опустить два гвоздя в раствор питьевой соды и подать на один гвоздь плюс, а на другой минус, то на минусе будет выделяться Водород, а на плюсе Кислород.

Теперь наша задача найти такой подход, чтобы получить как можно больше этого газа и потратить при этом минимальное количество электроэнергии.

Урок 1. Напряжение

Разложение воды начинается при подаче на электроды чуть больше 1,8 вольта. Если подавать 1 вольт, то ток практически не идёт и не выделяется газ, а вот когда напряжение подходит к значению 1,8 вольта, то ток резко начинает расти. Это называется минимальный электродный потенциал при котором начинается электролиз. Поэтому- если мы подадим 12 вольт на эти 2 гвоздя — то такой электролизёр будет жрать много электроэнергии, а газу будет мало.
я энергия уйдёт в нагрев электролита.

Для того. чтобы наш электролизёр был экономичным — надо подавать не более 2-х вольт на ячейку. Поэтому, если у нас 12 вольт — мы делим их на 6 ячеек и получаем на каждой по 2 вольта.

А теперь упрощаем — просто разделим ёмкость на 6 частей пластинами- в результате получится 6 ячеек, соединённых последовательно на каждой ячейке будет по 2 вольта каждая внутренняя пластина с одной стороны будет плюсом, а с другой минусом. Итак — урок номер 1 усвоили = подавать маленькое напряжение.

Теперь 2-ой урок экономичности: Расстояние между пластинами

Чем больше расстояние — тем больше сопротивление, тем больше потратим тока для получения литра газа. Чем меньше расстояние — тем меньше потратим Ватт в Час на Литр газа. Далее буду пользоваться именно этим термином — показатель экономичности электролизёра / Из графика видно, что чем ближе находятся пластины друг к другу — тем меньше напряжение требуется для прохождения одного и того же тока. А как известно выход газа прямо пропорционален количеству тока прошедшего через электролит.

Перемножая более маленькое напряжение на ток — мы получим меньше ватт на то же количество газа.

Теперь 3-й урок. Площадь пластин

Если мы возьмём 2 гвоздя и используя первые два правила расположим их близко и подадим на них 2 вольта — то газу получится совсем мало, так как они пропустят очень мало тока. Попробуем при тех же условиях взять две пластины. Теперь количество тока и газа будет увеличено прямо пропорционально площади этих пластин.

Теперь 4-й урок: Концентрация электролита

Используя первые 3 правила возьмём большие железные пластины на маленьком расстоянии друг от друга и подадим на них 2 вольта. И опустим их в водичку, добавив одну щепотку соды. Электролиз пойдёт, но очень вяло, вода будет нагреваться. Ионов в растворе много будет, сопротивление будет маленькое, нагрев уменьшится а количество газа увеличится

Источники: 505sovetov.ru, all-he.ru, zabatsay.ru, xn—-dtbbgbt6ann0jm3a.xn--p1ai, domashnih-usloviyah.ru

Снятин – от прошлого к настоящему

Оказывается, Снятин происходит от имени Константин. Историки на полном серьезе считают, что наши предки были шепелявые, из-за чего …

Волшебная птица

Образ жар-птицы нам известен с детства по народным сказкам. Предания говорят, что эта волшебная птица прилетела из тридесятого …

Эльфы и феи: история о парне, который служил фейри. Часть1

В Бретани существуют предания об особых эльфах и феях, называемых les Margots la feeЭто название распространено, …

Волшебный остров вечной юности

Далеко за горизонтом, в чужой стране, лежит волшебный остров вечной юности. Рассказывают, что на нем растет диковинное …

Принцесса Альвильда

Слушая рассказы о пиратах, каждый из нас в первую очередь представляет себе образ мрачного вида бородача, …

Рунический алфавит древних славян

Пеpвые доводы в пользy сyществования славянского pyнического письма были выдвинyты еще в начале пpошлого столетия; некотоpые из пpиводимых …

Борьба за независимость Италии — начало

Первая часть девятнадцатого столетия сопровождалась подъёмом стремления к объединению в национальном государстве («Рисорджименто»). Наполеоновская оккупация послужила буквально …

• Что такое ландшафтный дизайн

objective-news.ru

Всем еще со школы известно, что водород в таблице Менделеева занимает самое первое место и обозначается символом Н. Но, невзирая на эти знания, мало кто слышал о том, что получение водорода из воды можно без проблем выполнить в домашних условиях. Кроме того, стоит заметить тот факт, что на сегодняшний день этот химический элемент активно используется в качестве автомобильного топлива, поскольку он при сгорании не попадает в окружающую среду. Кстати, промышленным путем водород получают при помощи реакции водяного пара с разогретым углеродом (коксом), электролизом раствора хлористого натрия и т.д. Одним словом, существует огромное количество способов, благодаря которым вещество можно получить в лабораторных условиях. Но, а используя ниже описанные методы, можно провести эксперимент по получению водорода дома. Вот только в этом случае не стоит забывать об осторожности при работе с горючими веществами.

Изначально следует позаботиться о наличии под рукой всего необходимого для химического эксперимента. Во-первых, нужно убедиться в том, что пробирка для сбора водорода является полностью целой (даже самая маленькая трещинка может испортить весь процесс). Кроме того, перед проведением опыта с тлеющей лучиной, пробирку для предосторожности рекомендовано обмотать с помощью плотной ткани. После подготовительного процесса можно смело переходить к практике и, взяв в руки колбу, немного наполнить ее водой. Далее в воду помещается кусочек кальция, и емкость сразу же плотно закупоривается при помощи пробки. «Колено» трубки, что изогнуто и проходит через пробку, должно быть в емкости с водой («гидрозатворе»), а кончики трубки – слегка выглядывать из воды. Торчащий конец нужно очень быстро накрыть пробиркой, перевернутой верх дном. В итоге эта пробирка должна будет наполниться водородом (край пробирки держат в воде).

Как только в колбе полностью завершится реакция, пробирку надо сразу же закрыть очень плотной пробкой, которая держится верх дном, что поможет предотвратить улетучивание более легкого водорода. Кстати, лучше всего это проделать, продолжая ее край держать под водой. А вот для того чтобы проверить наличие водорода, необходимо вытащить пробку, а затем к краю пробирки поднести тлеющую лучинку. В итоге должен раздастся специфический хлопок. К месту будет напомнить о том, что кальций по сравнению со щелочными металлами, хоть и менее активный, но тоже опасен, поэтому работать с ним нужно все равно осторожно. Хранить его рекомендовано в емкости из стекла под пленкой из жидкого парафина, или керосина. Извлекать элемент следует непосредственно уже перед самим опытом при помощи длинного пинцета. Также по возможности лучше всего обзавестись резиновыми перчатками!

Также водород из воды в домашних условиях можно получить следующим весьма не сложным методом. Изначально в бутылку из пластика объемом в 1,5 литра набирается вода. После чего в этой воде растворяют едкий калий (примерно 15 грамм) или каустическую соль. Далее бутылку нужно поместить в кастрюлю, в которую предварительно набирают воду. Теперь необходимо взять 40 сантиметровую алюминиевую проволоку и порезать ее на кусочки, длина которых должна ровняться 5 сантиметрам. Порезанная проволока кидается в бутылку, а на ее горловину надевается заранее подготовленный резиновый шарик. Водород, что выделяется в ходе реакции между алюминием и щелочью, будет собираться в резиновом шарике. Поскольку данная реакция осуществляется с активным выделением тепла – нужно непременно соблюдать правила безопасности и действовать осторожно!

И наконец-то, водород из воды получают при помощи обычной поваренной соли. Для этого в стеклянную емкость с узким горлышком засыпают соль в размере пяти больших ложек и хорошо размешивают. После чего берется провод из меди и просовывается в шприц со стороны поршня. Этот участок необходимо хорошо герметизировать при помощи клея. Далее шприц опускают в емкость с соляным раствором и постепенно заполняют его. Медный провод надо подключить к отрицательному выводу аккумулятора 12 Вольт. В итоге реакции электролиза, возле проводка начнет выделяться водород, который вытесняется из шприца соляным раствором. Как только медный провод перестанет контактировать с соленой водой, реакция полностью завершиться. Вот так можно с помощью довольно простых методов самостоятельно получить водород из воды. Кстати, в ходе использования любого из методов необходимо помнить, что водород при смешивании с кислородом становится взрывоопасным!

uznay-kak.ru

Как получить водород: методы

• Паровая конверсия метана и природного газа: водяной пар при высокой температуре (700 – 1000 градусов Цельсия) смешивается с метаном под давлением, в присутствии катализирующего вещества.
• Газификация угля: один из старейших способов получения водорода. Без доступа воздуха, при температуре 800 – 1300 градусов Цельсия нагревают уголь вместе с водяным паром, при этом из воды уголь вытесняет кислород. На выходе получается углекислый газ и водород.
• Электролиз воды.: очень простой способ получения водорода. В емкость наливается раствор соды, в который помещается 2 электрических элемента, один соответствует минусу – катод, другой плюсу – анод. В данный раствор подается электричество, которое разлаживает воду на составляющие – водород выделяется на катоде, а кислород на аноде.
• Пиролиз: разложение воды на водород и кислород без доступа воздуха и при высокой температуре.
• Частичное окисление: сплав металлов алюминия и галлия формируют в специальные брикеты, которые помещают в емкость с водой, в результате химической реакции образуется водород и окись алюминия. Галлий используется в сплаве для предотвращения окисления алюминия.
• Биотехнологии: еще в 20 веке было обнаружено, что если водорослям хламидомонадам не будет хватать кислорода и серы в процессе жизнедеятельности, то они бурно начнут выделять водород.
• Глубинный газ планеты: в недрах земли водород может находится в чистом газообразном виде, но его выработка оттуда не целесообразна.

Как из воды получить водород

Наиболее простым способом получения водорода из воды является электролиз. Электролиз — химический процесс, при котором раствор электролита, под воздействием электрического тока, разделяется на составные части, то есть в нашем случае вода разделяется на водород и кислород. Для этого используется раствор соды в воде и два элемента – катод и анод, на которых и будут выделятся газы. На элементы подается напряжение, на аноде выделяется кислород, а на катоде водород.

Как получить водород в домашних условиях

Реактивы используются довольно простые – купорос (медный), поваренная соль, алюминий и вода. Алюминий можно взять из под пивных банок, но прежде, его нужно обжечь, чтобы избавится от пластиковой пленки, которая мешает реакции.

Потом отдельно готовится раствор купороса, и раствор соли, раствор купороса голубого цвета, смешивается с раствором соли, в итоге получается раствор зеленого цвета. Затем в этот зеленый раствор бросаем кусочек алюминиевой фольги, вокруг него появляются пузырьки – это водород. Также замечаем, что фольга покрылась красным налетом, это алюминий вытеснил медь из раствора. Для того, чтобы собрать водород для личных целей, используйте бутылку с пробкой, в которую заранее вставлена не широкая трубка, через которую и будет выходить газ.

А теперь, внимание! Меры предосторожности. Поскольку водород взрывоопасный газ, опыты с ним нужно проводить на улице, а во-вторых реакция получения водорода проходит с большим выделением тепла, раствор может разбрызгиваться и вас попросту обжечь.

Как получить перекись водорода

• В лаборатории перекись водорода получают с помощью реакции: ВаО 2 + Н 2 SО 4 = BaSO 4 + H 2 O 2 .
• В промышленных масштабах ее получают с помощью электролиза серной кислоты, в процессе которого образуется надсерная кислота, которую, в итоге, разлаживают на серную кислоту и перекись водорода.
• Как получают водород в лаборатории еще: часто водород в лаборатории получают взаимодействием цинка и соляной кислоты: Zn + 2HCl = H 2 + ZnCl 2 .

Надеюсь, с этой статьи вы вынесли ту информацию, которая вам была необходима, и еще раз предупреждаю – будьте осторожны с любыми опытами и экспериментами с водородом!

elhow.ru

В данной статье описаны наиболее популярные способы получения дешевого водорода в домашних условиях.

Способ 1.
Водород из алюминия и щелочи.

Используемый раствор щелочи – едкого кали (гидроксид калия), либо едкого натра (гидроксид натрия, продается в магазинах, как средство очистки труб «Крот»). Выделяемый водород более чистый, чем при реакции кислот с активными металлами.

Насыпаем в колбу небольшое количество едкого кали либо натра и заливаем 50 -100 мл воды, перемешиваем раствор до полного растворения кристаллов. Далее добавляем несколько кусочков алюминия. Сразу же начнется реакция с выделением водорода и тепла, сначала слабая, но постоянно усиливающаяся.
Дождавшись пока реакция будет происходить более активно, аккуратно добавим еще 10г. щелочи и несколько кусочком алюминия. Так мы значительно усилим процесс.
Закупориваем колбу, пробиркой с трубкой ведущей сосуд для сбора газа. Ждем примерно 3 -5 мин., пока водород вытеснит воздух из сосуда.

Как образуется водород? Оксидная пленка, которая покрывающая поверхность алюминия, при контакте с щелочью разрушается. Так как алюминий является активным металлом, то он начинает реагировать с водой, растворяясь в ней, при этом выделяется водород.

2Al + 2NaOH + 6h3O → 2Na + 3h3

Способ 2.
Водород из алюминия, сульфата меди и пищевой соли.

В колбу насыпаем немного сульфата меди (медный купорос, продается в любом магазине для сада), и соли (соли чуть больше). Добавляем воду и перемешиваем до полного растворения. Раствор должен, окрасится в зеленый цвет, если этого не произошло, добавьте еще небольшое количество соли.
Колбу необходимо поставить в чашку наполненной холодной водой, т.к. при реакции, будет выделятся большое количество тепла.
Добавляем в раствор несколько кусочков алюминия. Начнется реакция.

Как происходит выделение водорода? В процессе образуется хлорид меди, смывающий оксидную пленку с метала. Одновременно с восстановлением меди происходит образование газа.

Способ 3.
Водород из цинка и соляной кислоты.

Помещаем в пробирку кусочки цинка и заливаем их соляной кислотой.
Являясь активным металлом цинк, взаимодействуя с кислотой, вытесняет из нее водород.

Zn + 2HCl → ZnCl2 + h3

Способ 4.
Производство водорода электролизом.

Пропускаем через раствор воды и проваренной соли электрический ток (12В). При реакции, будет выделятся водород (на аноде) и кислород (на катоде).

При получении водорода и последующих экспериментах, соблюдайте технику безопасности.

all-he.ru

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H 2 O → 2H 2 + O 2 — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

• реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
• металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
• второй резервуар играет роль водяного затвора;
• трубки для отвода газа HHO.

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Примечание. Подробно о работе схемы рассказывается на ресурсе http://www.meanders.ru/meiers8.shtml.

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

• цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
• трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
• провода, изоляторы.

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Принципиальная схема включения электролизера

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

• резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
• концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
• шпильки стяжные М10-14;
• обратный клапан для газосварочного аппарата;
• фильтр водяной под гидрозатвор;
• трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
• гидроокись калия в виде порошка.

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Схема генератора мокрого типа

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

1. На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7-15% раствор гидроокиси калия в воде.
2. В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
3. Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Выгодно ли получать водород в домашних условиях

Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:

• использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
• бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
• применять для газосварочных работ.

Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.

Вспомним, что мы писали в первом разделе. Hydrogen – весьма активный элемент и реагирует с кислородом самостоятельно, выделяя уйму тепла. Пытаясь разделить устойчивую молекулу воды, мы не можем подвести энергию непосредственно к атомам. Расщепление производится за счет электричества, половина которого рассеивается на подогрев электродов, воды, обмоток трансформаторов и так далее.

Важная справочная информация. Удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м³ гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана. Ведь водород – легчайший химический элемент.

Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:

Для справки. Чтобы сжигать гидроген в отопительном котле, придется основательно переработать конструкцию, поскольку водородная горелка способна расплавить любую сталь.

Заключение

Водород в составе газа ННО, полученный из самодельного генератора, пригодится для двух целей: экспериментов и газосварки. Даже если отбросить низкий КПД электролизера и затраты на его сборку вместе с потребляемым электричеством, на обогрев здания попросту не хватит производительности. Это касается и бензинового двигателя легковой машины.

Водород уже достаточно давно рассматривается и кое-где используется в качестве экологически чистого вида топлива . Но более широкому использованию водородного топлива мешает целый ряд неразрешенных на сегодняшний день проблем, главными из которых являются хранение и транспортировка. Однако, группа исследователей из американской Армейской научно-исследовательской лаборатории, проводя эксперименты на Абердинском испытательном полигоне близ Мериленда, сделала случайное открытие. Пролив воду на брусок особого алюминиевого сплава, состав которого держится пока в секрете, исследователи заметили мгновенно начавшийся процесс бурного выделения водорода.

Из школьного курса химии, если кто его еще помнит, водород является побочным продуктом реакции между водой и алюминием. Однако, данная реакция обычно протекает лишь при достаточно высокой температуре или в присутствии специальных катализаторов. Да и тогда она идет достаточно «неторопливо», на заполнение бака водородного автомобиля потребуется около 50 часов, а энергетическая эффективность такого метода получения водорода не превышает 50 процентов.

Все вышесказанное не имеет отношения к реакции, в которой принимает участие новый сплав алюминия. «Эффективность этой реакции вплотную приближается к 100 процентам, а сама реакция «разгоняется» до максимальной производительности менее, чем за три минуты» — рассказывает Скотт Грендаль (Scott Grendahl), руководитель научной группы.

Использование системы, вырабатывающей водород по мере необходимости, решает массу имеющихся проблем. Воду и алюминиевый сплав легко транспортировать из одного места в другое, оба этих вещества сами по себе инертны и стабильны. Во-вторых, для начала реакции не требуется никакого катализатора, ни первоначального толчка, реакция начинает идти сразу же, как вода входит в контакт со сплавом.

Все вышесказанное еще не означает, что исследователи обнаружили панацею в области водородного топлива. В этом деле существует еще целый ряд вопросов, подлежащих выяснению или уточнению. Первым вопросом является то, будет ли работать такая схема получения водорода вне лаборатории, ведь существует множество примеров, когда экспериментальные технологии отлично работают в лабораторных условиях, но терпят полную неудачу при полевых испытаниях. Вторым вопросом является вопрос сложности и стоимости производства алюминиевого сплава, стоимость утилизации продуктов реакции, которые станут факторами, определяющим экономическую целесообразность нового способа получения водорода.

И в заключение следует отметить, что на выяснение упомянутых выше вопросов, скорее всего, уйдет не так уж и много времени. И только после этого можно будет сделать выводы о дальнейшей жизнеспособности нового метода получения водородного топлива.

«Водород генерируется только при необходимости, так что вы можете произвести его ровно столько, сколько нужно», — пояснил Вудалл на университетском симпозиуме, где описывались детали открытия. Данная технология может, например, применяться совместно с небольшими двигателями внутреннего сгорания в различных применениях – портативных аварийных генераторах, газонокосилках и пилах. Теоретически, она может быть использована и на легковых автомобилях и грузовиках.

Водород выделяется самопроизвольно, когда вода добавляется к шарикам, выполненным из сплава алюминия и галлия. «При этом алюминий в твердом сплаве реагирует с водой, отрывая от ее молекул кислород», — комментирует Вудалл. Соответственно, оставшийся водород выделяется в окружающее пространство.

Наличие галлия является критичным для прохождения реакции, так как он препятствует формированию пленки оксида на поверхности алюминия при его окислении. Такая пленка обычно предотвращает дальнейшее окисления алюминия, выступая в качестве барьера. Если же ее формирование окажется нарушенным, реакция будет идти до тех пор, пока не израсходуется весь алюминий.

Вудалл открыл данный процесс с жидким сплавом алюминия-галлия в 1967 году, когда он работал в полупроводниковой промышленности. «Я очищал тигель, содержавший сплав галлия и алюминия, — рассказывает он, — Когда я добавил туда воду, произошел сильный хлопок. После этого я удалился в лабораторию и в течение нескольких часов изучал, что же именно произошло».

«Необходимым компонентом является галлий, так как он плавится при низкой температуре и растворяет алюминий, что делает возможным реакцию последнего с водой. – поясняет Вудалл. – Это было неожиданным открытием, так как хорошо известно, что твердый алюминий не взаимодействует с водой».

Конечными продуктами реакции являются галлий и оксид алюминия. Сжигание же водорода приводит к образованию воды. «Таким образом, никаких токсичных выбросов не получается, — говорит Вудалл, — Важно отметить и то, что галлий не участвует в реакции, так что его можно утилизировать и использовать вновь. Это важно, так как сейчас этот металл намного дороже алюминия. Впрочем, если данный процесс начнет широко использоваться, то добывающая промышленность сможет выпускать более дешевый низкосортный галлий. Для сравнения, весь используемый сейчас галлий имеет высокую степень очистки и используется, главным образом, в полупроводниковой промышленности».

Вудалл говорит, что, так как водород может использоваться вместо бензина в двигателях внутреннего сгорания, возможно применение методики на автомобильном транспорте. Однако для того, чтобы технология смогла конкурировать с бензиновой, необходимо снизить стоимость восстановления оксида алюминия. «Сейчас стоимость одного фунта алюминия превышает $1, и поэтому вы не сможете получить количество водорода, эквивалентное бензину по цене $3 за галлон», — поясняет Вудалл.

Впрочем, стоимость алюминия может быть снижения, если он будет получаться из оксида с помощью электролиза, а электроэнергия для него будет идти с или . В этом случае алюминий может производиться прямо на месте, и отпадает необходимость в передаче электроэнергии, что снижает общие затраты. Кроме того, такие системы могут располагаться в удаленных районах, что особенно важно при постройке атомных электростанций. Данный подход, по мнению Вудалла, позволит уменьшить использование бензина, снизить загрязнение и зависимость от импорта нефти.

«Мы называем это водородной энергетикой на основе алюминия, — говорит Вудалл, — Причем не будет никаких сложностей, чтобы переделать двигатели внутреннего сгорания на работу от водорода. Все, что нужно – заменить их топливный инжектор на водородный».

Также система может применяться и для питания топливных ячеек. В этом случае она уже может конкурировать с бензиновыми двигателями – даже при сегодняшней высокой стоимости алюминия. «КПД систем на топливных элементах составляет 75%, тогда как двигателя внутреннего сгорания – 25%, — говорит Вудалл, — Таким образом, как только технология будет широко доступной, наша методика извлечения водорода станет экономически оправданной».

Ученые подчеркивают ценность алюминия для генерации энергии. «Большинство людей не догадывается, насколько много энергии заключено в нем, — поясняет Вудалл, — Каждый фунт (450 граммов) металла может дать 2 кВт*часа при сжигании выделившегося водорода, и еще столько же энергии в виде тепла. Таким образом, средний автомобиль с баком, заполненным шариками из сплава алюминия (около 150 кг) сможет проехать порядка 600 км, и это будет стоить $60 (при этом предполагается, что оксид алюминия затем будет утилизирован). Для сравнения, если я залью в бак бензин, то буду получать с каждого фунта 6 кВт*часов, что в 2.5 раза больше энергии от фунта алюминия. Другими словами, мне нужно будет в 2.5 раза больше алюминия, чтобы получить такое же количество энергии. Однако важно то, что я полностью исключаю бензин, и применяю вместо него дешевое вещество, доступное в США».

При взаимодействии с водой одного килограмма электровзрывного нанопорошка алюминия выделяется 1244,5 л водорода, который при сжигании дает 13,43 МДж тепла. Эффективность такого процесса получения водорода выше, чем в случае электролиза. Окисление электровзрывного нанопорошка алюминия протекает на 100 %, т. е. применяемый материал используется полностью.

Описание:

Для ряда важных применений в гражданской и военной области необходимы мобильные источники энергии, в частности, работающие на водороде, и технологии, которые бы обеспечили получение
водорода в обычных, полевых условиях. Техническое решение этой проблемы – получения водорода основано на применении энергоаккумулирующих веществ с хемотермическим эффектом, в частности использование генераторов
водорода работающих на эффекте саморазогрева электровзрывных наночастиц алюминия (ALEX) в воде.

При взаимодействии с водой
одного килограмма электровзрывного нанопорошка алюминия выделяется 1244,5 л водорода, который при сжигании дает 13,43 МДж тепла. Эффективность такого процесса получения
водорода выше, чем в случае электролиза. Окисление электровзрывного нанопорошка алюминия протекает на 100 %, т. е. применяемый материал используется полностью.

Особенности теплового режима процесса взаимодействия нанопорошков алюминия с водой приводят к появлению новых эффектов, которые не были известны для реакции с участием крупных порошков алюминия.

В первую очередь – это эффект саморазогрева наночастиц до температур, превышающих температуру окружающей воды на сотни градусов.

Так, при использовании промышленного порошка алюминия микронного размера скорость выделения водорода составляет лишь 0,138 мл в секунду на 1 г порошка. При этом в конечный продукт – смесь оксидов и гидроксидов алюминия – превращается только 20…30 % исходного порошка. Нанопорошок алюминия по своей реакционной способности превосходят обычные промышленные порошки микронного размера. В то же время, скорость выделения водорода при взаимодействии нанопорошка алюминия с дистиллированной водой при 60 °С составляет 3 мл в секунду на 1 г порошка, при 80 °С – 9,5 мл в секунду на 1 г порошка, что превышает скорость выделения водорода при гидротермальном синтезе
приблизительно в 70 раз.

Другим преимуществом использования нанопорошка в данной реакции является то, что степень превращения алюминия составляет 98…100 % (в зависимости от температуры).

Более того, введение в дистиллированную воду даже незначительных количеств щелочи приводит к значительному возрастанию скорости реакции: при увеличении рН раствора до 12 скорость выделения водорода возрастает до 18 мл в секунду на 1 г порошка при 25 °С. Скорость выделения водорода при растворении алюминия микронного размера в растворе, содержащем 8 г/л NaOH, при этой же температуре, составляет лишь 1 мл в секунду на 1 г порошка.

Приведенные данные показывают, что электровзрывные нанопорошки алюминия, в отличие от компактного алюминия и крупных промышленных порошков, взаимодействуют с водой с большой скоростью и степенью превращения ~100 % и именно их применение позволит получать водород с достаточной скоростью при обычных условиях.

Преимущества:

– простой и эффективный способ получения водорода в обычных и полевых условиях,

–
получение водорода с высокой скоростью – в 10 (десятки) раз, превышающая традиционные технологии
,

промышленное получение водорода из воды кислот цинка электролизом воды соляной кислоты газа в лаборатории своими руками серной кислоты

раствор методы схема уравнения установка способы реакции электролизер для получения водорода

химическое получение кислорода перекиси аммиака пероксида оксида жидкого водорода в домашних условиях металлом свойства железа видео

получение электроэнергии воды из водорода и кислорода в промышленности применение из алюминия

способы электролизер для получения водорода своими руками
купить из воды

уравнение реакций технологии аппарат формула процесс промышленный способ бинарное неорганическое соединение для получения водорода пара

использование энергии получение водорода

Коэффициент востребованности

257

Ученые ТПУ разрабатывают электролизер для водородной энергетики

ТОМСК, 10 дек –
РИА Томск. Исследователи лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и
плазменных технологий Томского политехнического университета (ТПУ)
разрабатывают промышленную установку (электролизер) для получения водорода на
АЭС; запуск ее в серийное производство позволит вывести
экологически чистую водородную энергетику на новый уровень. Подробности – в
материале РИА Томск.

Ранее сообщалось,
что водородная энергетика – одно из ведущих направлений по разработке экологически
чистых способов получения энергии. Рамочная конвенция ООН, подписанная Россией
в 2015 году, предполагает кратное сокращение выбросов углерода при производстве электроэнергии в ближайшее десятилетие. Основными
«поставщиками» углекислоты в атмосферу являются объекты традиционной
энергетики (ГРЭС и ТЭЦ).

По данным
открытых источников, будучи самым распространенным элементом на Земле и в
космосе, водород, тем не менее, остается почти невостребованным. Если в 2018
году в мире было добыто 4,4 миллиарда тонн нефти и 3,86 триллиона кубометров
природного газа (метана), то объем производства водорода не превышает 70 миллионов
тонн, то есть объем его выработки в 6285 раз меньше, чем нефти, и в 5514 раз
меньше, чем газа.

© пресс-служба Томского политехнического университета

Водород, который
сегодня используется в экономике, принято разделять на «серый» –  из
угля, нефти и газа, «голубой» – на теплоэлектростанциях или АЭС с
технологией CCS – и «зеленый» – выделенный из воды (ВИЭ). Согласно недавним
исследованиям Wood Mackenzie, сегодня 99% водорода являются «серым» и
«голубым», его выработка создает огромный углеродный след,
сопоставимый с половиной суммарных выбросов CO2 всей экономикой России, и
только 1% водорода считается экологичным «зеленым».

Для масштабного
перехода к получению энергии от сжигания водорода необходимо разработать
технологии его производства, сопоставимые по объемам выпуска с традиционными
источниками углеводородов. Однако самый дешевый способ его производства –
паровой риформинг (каталитическая конверсия углеводородов – метана,
пропан-бутана, бензина, керосина, дизтоплива, угля – в присутствии водяного пара) в ходе реакции создает огромные объемы СО2.

Альтернатива
пиролизу

Альтернативным
методом получения водорода в промышленных масштабах (а именно такие нужны для
запуска водородных электростанций) является электролиз.

Электролиз – это процесс
разложения воды под действием постоянного электрического тока на кислород и
водород. Химическая реакция идет по схеме: 2Н2O + энергия —> 2h3+O2. Его преимущества: доступное сырье – деминерализованная вода и электроэнергия; отсутствие
загрязняющих выбросов; процесс автоматизирован; на выходе получается достаточно
чистый (99,99%) продукт. Главный недостаток – получение водорода дороже, чем
при риформинге, в 1,5–3 раза.

В такой системе
координат в выигрыше оказываются производители электроэнергии высокой
мощности, которые могут «вложить» ее в производство высоколиквидного
«зеленого» топлива. В России это главным образом атомщики,
рассказал РИА Томск главный специалист лаборатории импульсно-пучковых,
электроразрядных и плазменных технологий ТПУ Виктор Дмитриенко.

© пресс-служба Томского политехнического университета

«На атомных
станциях себестоимость электроэнергии очень низкая. И мощности, как правило,
избыточные. Потому мы сейчас предполагаем, что сможем заключить контракт с
Росатомом, который хочет использовать свою дешевую электроэнергию для
производства водорода. Это позволит корпорации стать крупнейшим производителем
этого экологичного топлива в России», – сказал Дмитриенко.

Промышленные
установки для получения водорода методом электролиза известны более 60 лет,
поясняет ученый. В основном это электролизеры фильтр-прессного типа, которые
на выходе позволяют получать водород и кислород.

Широкое
распространение они получили в традиционной углеводородной энергетике – их
устанавливают на ГРЭС и ТЭЦ, где водород используют для охлаждения турбинных
подшипников, неизбежно раскаляющихся от трения. Еще один способ их
использования – электролиз цветных металлов из измельченной руды. К примеру,
золота. Но для выработки водорода как товарного продукта они не подходят.

«Наша цель –
разработать электролизер, который бы обладал улучшенными характеристиками по
сравнению с существующими. Соответственно, электролизер фильтр-прессного типа
нам не подходит. Мы взяли за основу конструкцию мембранного типа, в которой
катодное и анодное пространство разделены ионообменной мембраной», – рассказывает Дмитриенко.

Мембрана особого
назначения

Казалось бы,
электролиз – доступный и давно известный способ получения водорода из воды.
Однако, если применять «школьную» конструкцию электролизера, вместо
СО2 неизбежно будет вырабатываться не менее опасный побочный продукт – хлор (CI2), который появляется на аноде.

© предоставлено пресс-службой ТПУ

«Представьте,
в Красноярске завод «Красцветмет» находится в городской черте. Если
применять там электролиз для осаждения цветмета из руды без применения
мембраны, будут вырабатываться огромные объемы хлора. Это значит, нужно строить
дорогую систему очистки, утилизации, вентиляции. И все равно в жилых районах
это будет бомба замедленного действия. Лучше вовсе избежать появления опасных
соединений», – утверждает ученый.

Большинство
имеющихся на рынке мембранных электролизеров разделяют катодную и анодную
камеры, в которых происходит электролитическая диссоциация (химическая реакция,
вызванная электрическим напряжением в жидком растворе), прокладкой из асбеста. Мембрана,
которую используют томские политехники, сложнее.

«На нашей
установке, в ходе электролиза, мы будем получать три продукта – водород, чистый
медицинский кислород и 40%-ный раствор щелочи (КОН  или NaОH). Все три составляющих – это товарные продукты. Но главная наша задача – разработать экономически выгодный электролизер для производства водорода в
промышленных масштабах», – подчеркивает Дмитриенко.

От бумаги до
железа

В настоящий
момент исследователи ведут переговоры с Росатомом для включения своих
исследований в программу водородной энергетики, запущенную в госкорпорации.

«У нас есть
опыт работы с мембранными электролизерами. Мы уже выполняли работы по заказу
«Трансгаза», там наш мембранный электролизер работал над изменением
рН-среды. Есть опыт разработки и изготовления различных электролизеров с катионо-
и анионообменными мембранами для
осаждения золота из продуктивных растворов», – рассказывает Дмитриенко.

© предоставлено лабораторией импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ

Промышленный мембранный электролизер для осаждения золота. Разработка ТПУ

За свою историю
сотрудники лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных
технологий ТПУ изготовили порядка 20 установок для электролиза. Для нужд «Алданзолото ГРК» политехники изготовили электролизер с анионообменными
мембранами, для Дальневосточного
федерального университета – опытно-промышленную установку осаждения металлов с
катионо- и анионообменными мембранами, а для ООО «Гелиос» – pH-корректор с биполярными мембранами.

Опытной установки
для производства водорода, «заточенной» под потребности Росатома, «в железе» пока нет, признает Дмитриенко.

© с сайта ТПУ

«Предварительная
конструкция у нас уже проработана. Все необходимые чертежи подготовлены. При
наличии финансирования собрать опытную установку мы сможем быстро.
Финансирование мы планируем получить от Росатома, если попадем в их водородную
программу», – отмечает ученый.

Не в одиночку

Ранее также
сообщалось, что в ноябре 2020 года ТПУ вошел в состав консорциума по развитию водородных
технологий, который получил название «Технологическая водородная
долина». Помимо ТПУ в консорциум вошли Институт
катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт
нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет
и Сахалинский государственный университет.

Участники
консорциума будут вести совместные разработки технологий по всей
«водородной цепочке»: от получения до использования водорода.
Консорциум планирует тесное сотрудничество с крупнейшими компаниями РФ,
заинтересованными в развитии водородной энергетики.

Электролизеры для получения водорода

Применение электролизеров

Постоянный рост цен на энергоносители позволил по-новому подойти к электролитическим процессам. Разработаны различные типы установок для получения:

• алюминия;
• хлора;
• водорода для плазменных аппаратов резки и сварки.

Также устройства работают в составе агрегатов, производящих очистку, обеззараживание питьевой воды и воды для бассейнов, как добавка к топливу для авто, позволяющая полностью использовать потенциал углеводородов. Водород горит значительно раньше бензина. Бензин воспламеняется уже не от искры, а от пламени, что повышает усилие, давящее на поршень двигателя машины.

Некоторые умельцы используют электролиз воды в домашних условиях для обогрева помещений. Но здесь стоит отметить, что себестоимость полученного горючего водорода значительно превосходит по цене тот же природный газ. К тому же температура горения водорода довольно высокая и не всякий металл способен выдержать длительное воздействие без разрушения. А использование термостойких материалов экономически не оправдано.

Название видео

Получение водорода с помощью алюминия. Делаем «Мистер Фьюжн» (водород из алюминия). Лабораторный метод получения водорода

Удорожание энергоносителей стимулирует поиск более эффективных и , в том числе на бытовом уровне. Более всего умельцев–энтузиастов привлекает водород, чья теплотворная способность втрое превышает показатели метана (38.8 кВт против 13.8 с 1 кг вещества). Способ добычи в домашних условиях, казалось бы, известен – расщепление воды путем электролиза. В действительности проблема гораздо сложнее. Наша статья преследует 2 цели:

• разобрать вопрос, как сделать водородный генератор с минимальными затратами;
• рассмотреть возможность применения генератора водорода для отопления частного дома, заправки авто и в качестве сварочного аппарата.

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H 2 O → 2H 2 + O 2 — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

• реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
• металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
• второй резервуар играет роль водяного затвора;
• трубки для отвода газа HHO.

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Примечание. Подробно о работе схемы рассказывается на ресурсе http://www.meanders.ru/meiers8.shtml.

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

• цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
• трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
• провода, изоляторы.

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Под ячейку Мейера можно приспособить готовый пластиковый корпус от обычного водопроводного фильтра

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Принципиальная схема включения электролизера

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

• резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
• концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
• шпильки стяжные М10-14;
• обратный клапан для газосварочного аппарата;
• фильтр водяной под гидрозатвор;
• трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
• гидроокись калия в виде порошка.

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Схема водородной установки мокрого типа

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

1. На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7-15% раствор гидроокиси калия в воде.
2. В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
3. Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Выгодно ли получать водород в домашних условиях

Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:

• использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
• бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
• применять для газосварочных работ.

Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.

Вспомним, что мы писали в первом разделе. Hydrogen – весьма активный элемент и реагирует с кислородом самостоятельно, выделяя уйму тепла. Пытаясь разделить устойчивую молекулу воды, мы не можем подвести энергию непосредственно к атомам. Расщепление производится за счет электричества, половина которого рассеивается на подогрев электродов, воды, обмоток трансформаторов и так далее.

Важная справочная информация. Удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м³ гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана. Ведь водород – легчайший химический элемент.

Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:

Для справки. Чтобы сжигать гидроген в отопительном котле, придется основательно переработать конструкцию, поскольку водородная горелка способна расплавить любую сталь.

Заключение

Гидроген в составе газа ННО, полученный из самодельного водородного генератора, пригодится для двух целей: экспериментов и газосварки. Даже если отбросить низкий КПД электролизера и затраты на его сборку вместе с потребляемым электричеством, на обогрев здания попросту не хватит производительности. Это касается и бензинового двигателя легковой машины.

Электролиз воды — это самый старый способ получения водорода. Пропуская постоянный ток через воду, на катоде накапливается — водород, а на аноде — кислород. Получение водорода электролизом очень энергозатратный производство, поэтому используется исключительно в тех областях, где данный газ достаточно ценен и необходим.

Получение водорода в домашних условиях достаточно легкий процесс и есть несколько способов сделать это:

1. Нам понадобится раствор щелочи не пугайтесь этих названий т.к. все это есть в свободном доступе.

Например, средство для очистки труб «крот» отлично подойдет по составу. Насыпаем в колбу немного щелочи и заливаем 100 мл воды;

Тщательно перемешиваем для полного растворения кристаллов;

Добавляем несколько небольших кусочков алюминия;

Ждем около 3-5 минут, пока реакция будет проходить максимально быстро;

Добавляем дополнительно несколько кусочков алюминия и 10-20 грамм щелочи;

Закрываем резервуар специальной колбой с трубкой, которая ведет в резервуар для сбора газа и ждем несколько минут пока воздух не выйдет под давлением водорода из сосуда.

2. Выделение водорода из алюминия, пищевой соли и сульфата меди.

В колбу насыпаем сульфат меди и чуть больше соли;

Разбавляем все водой и хорошо перемешиваем;

Ставим колбу в резервуар с водой, так как при реакции будет выделяться много тепла;

В остальном все нужно делать так же как в первом способе.

3. Получение водорода из воды путем пропускания тока в 12В через раствор соли в воде. Это самый простой способ и больше всего подходит для домашних условий. Единственный минус этого способа в том, что водорода выделяется сравнительно мало.

Итак. Теперь вы знаете, как получить водород из воды и не только. Вы можете проводить очень много экспериментов. Не забывайте придерживаться правил безопасности во избежание травм.

Получение водорода в домашних условиях

Способ 1.

Используемый раствор щелочи — едкого кали, либо едкого натра. Выделяемый водород более чистый, чем при реакции кислот с активными металлами.

Закупориваем колбу, пробиркой с трубкой ведущей сосуд для сбора газа. Ждем примерно 3 -5 мин. пока водород вытеснит воздух из сосуда.

2Al + 2NaOH + 6h4O → 2Na + 3h4

Способ 2.

В колбу насыпаем немного сульфата меди, и соли. Добавляем воду и перемешиваем до полного растворения. Раствор должен, окрасится в зеленый цвет, если этого не произошло, добавьте еще небольшое количество соли.

Способ 3.

Zn + 2HCl → ZnCl2 + h4

Способ 4.

Пропускаем через раствор воды и проваренной соли электрический ток. При реакции, будет выделятся водород и кислород.

Получение водорода электролизом воды.

Давно хотел сделать подобную штуку. Но дальше опытов с батарейкой и парой электродов не доходило. Хотелось сделать полноценный аппарат для производства водорода, в количествах для того чтобы надуть шарик. Прежде чем делать полноценный аппарат для электролиза воды в домашних условиях, решил все проверить на модели.

Эта модель не подходит для полноценной ежедневной эксплуатации. Но проверить идею удалось. Итак для электродов я решил применить графит. Прекрасный источник графита для электродов это токосъемник троллейбуса. Их полно валяется на конечных остановках. Нужно помнить, что один из электродов будет разрушаться.

Пилим и дорабатываем напильником. Интенсивность электролиза зависит от силы тока и площади электродов. К электродам прикрепляются провода. Провода должны быть тщательно изолированы. Для корпуса модели электролизера вполне подойдут пластиковые бутылки. В крышке делаются дырки для трубок и проводов. Все тщательно промазывается герметиком.

Для соединения двух ёмкостей подойдут отрезанные горлышки бутылок. Их необходимо соединить вместе и оплавить шов. Гайки делаются из бутылочных крышек. В двух бутылках в нижней части делаются отверстия. Все соединяется и тщательно заливается герметиком.

В качестве источника напряжения будем использовать бытовую сеть 220в. Хочу предупредить, что это довольно опасная игрушка. Так что, если нет достаточных навыков или есть сомнения, то лучше не повторять. В бытовой сети у нас ток переменный, для электролиза его необходимо выпрямить. Для этого прекрасно подойдет диодный мост. Тот что на фотографии оказался не достаточно мощным и быстро перегорел. Наилучшим вариантом стал китайский диодный мост MB156 в алюминиевом корпусе.

Диодный мост сильно нагревается. Понадобится активное охлаждение. Кулер для компьютерного процессора подойдет как нельзя лучше. Для корпуса можно использовать подходящую по размеру распаячную коробку. Продается в электротоварах.

Под диодный мост необходимо подложить несколько слоев картона. В крышке распаячной коробки делаются необходимые отверстия. Так выглядит установка в сборе. Электролизер запитывается от сети, вентилятор от универсального источника питания. В качестве электролита применяется раствор пищевой соды. Тут нужно помнить, что чем выше концентрация раствора, тем выше скорость реакции. Но при этом выше и нагрев. Причем свой вклад в нагрев будет вносить реакция разложения натрия у катода. Эта реакция экзотермическая. В результате неё будет образовываться водород и гидроксид натрия.

Тот аппарат, что на фото выше, очень сильно нагревался. Его приходилось периодически отключать и ждать пока остынет. Проблему с нагревом удалось частично решить путем охлаждения электролита. Для этого я использовал помпу для настольного фонтана. Длинная трубка проходит из одной бутылки в другую через помпу и ведро с холодной водой.

Место подсоединения трубки к шарику хорошо снабдить краником. Продаются в зоомагазинах в отделе для аквариумов.

Основные знания по классическому электролизу.

Принцип экономичности электролизёра для получения газа h4 и O2.

Наверняка все знают, если опустить два гвоздя в раствор питьевой соды и подать на один гвоздь плюс, а на другой минус, то на минусе будет выделяться Водород, а на плюсе Кислород.

Теперь наша задача найти такой подход, чтобы получить как можно больше этого газа и потратить при этом минимальное количество электроэнергии.

Урок 1. Напряжение

Разложение воды начинается при подаче на электроды чуть больше 1,8 вольта. Если подавать 1 вольт, то ток практически не идёт и не выделяется газ, а вот когда напряжение подходит к значению 1,8 вольта, то ток резко начинает расти. Это называется минимальный электродный потенциал при котором начинается электролиз. Поэтому- если мы подадим 12 вольт на эти 2 гвоздя — то такой электролизёр будет жрать много электроэнергии, а газу будет мало.
я энергия уйдёт в нагрев электролита.

Для того. чтобы наш электролизёр был экономичным — надо подавать не более 2-х вольт на ячейку. Поэтому, если у нас 12 вольт — мы делим их на 6 ячеек и получаем на каждой по 2 вольта.

А теперь упрощаем — просто разделим ёмкость на 6 частей пластинами- в результате получится 6 ячеек, соединённых последовательно на каждой ячейке будет по 2 вольта каждая внутренняя пластина с одной стороны будет плюсом, а с другой минусом. Итак — урок номер 1 усвоили = подавать маленькое напряжение.

Теперь 2-ой урок экономичности: Расстояние между пластинами

Чем больше расстояние — тем больше сопротивление, тем больше потратим тока для получения литра газа. Чем меньше расстояние — тем меньше потратим Ватт в Час на Литр газа. Далее буду пользоваться именно этим термином — показатель экономичности электролизёра / Из графика видно, что чем ближе находятся пластины друг к другу — тем меньше напряжение требуется для прохождения одного и того же тока. А как известно выход газа прямо пропорционален количеству тока прошедшего через электролит.

Перемножая более маленькое напряжение на ток — мы получим меньше ватт на то же количество газа.

Теперь 3-й урок. Площадь пластин

Если мы возьмём 2 гвоздя и используя первые два правила расположим их близко и подадим на них 2 вольта — то газу получится совсем мало, так как они пропустят очень мало тока. Попробуем при тех же условиях взять две пластины. Теперь количество тока и газа будет увеличено прямо пропорционально площади этих пластин.

Теперь 4-й урок: Концентрация электролита

Используя первые 3 правила возьмём большие железные пластины на маленьком расстоянии друг от друга и подадим на них 2 вольта. И опустим их в водичку, добавив одну щепотку соды. Электролиз пойдёт, но очень вяло, вода будет нагреваться. Ионов в растворе много будет, сопротивление будет маленькое, нагрев уменьшится а количество газа увеличится

Источники: 505sovetov.ru, all-he.ru, zabatsay.ru, xn—-dtbbgbt6ann0jm3a.xn--p1ai, domashnih-usloviyah.ru

Снятин – от прошлого к настоящему

Оказывается, Снятин происходит от имени Константин. Историки на полном серьезе считают, что наши предки были шепелявые, из-за чего …

Волшебная птица

Образ жар-птицы нам известен с детства по народным сказкам. Предания говорят, что эта волшебная птица прилетела из тридесятого …

Эльфы и феи: история о парне, который служил фейри. Часть1

В Бретани существуют предания об особых эльфах и феях, называемых les Margots la feeЭто название распространено, …

Волшебный остров вечной юности

Далеко за горизонтом, в чужой стране, лежит волшебный остров вечной юности. Рассказывают, что на нем растет диковинное …

Принцесса Альвильда

Слушая рассказы о пиратах, каждый из нас в первую очередь представляет себе образ мрачного вида бородача, …

Рунический алфавит древних славян

Пеpвые доводы в пользy сyществования славянского pyнического письма были выдвинyты еще в начале пpошлого столетия; некотоpые из пpиводимых …

Борьба за независимость Италии — начало

Первая часть девятнадцатого столетия сопровождалась подъёмом стремления к объединению в национальном государстве («Рисорджименто»). Наполеоновская оккупация послужила буквально …

• Что такое ландшафтный дизайн

objective-news.ru

Всем еще со школы известно, что водород в таблице Менделеева занимает самое первое место и обозначается символом Н. Но, невзирая на эти знания, мало кто слышал о том, что получение водорода из воды можно без проблем выполнить в домашних условиях. Кроме того, стоит заметить тот факт, что на сегодняшний день этот химический элемент активно используется в качестве автомобильного топлива, поскольку он при сгорании не попадает в окружающую среду. Кстати, промышленным путем водород получают при помощи реакции водяного пара с разогретым углеродом (коксом), электролизом раствора хлористого натрия и т.д. Одним словом, существует огромное количество способов, благодаря которым вещество можно получить в лабораторных условиях. Но, а используя ниже описанные методы, можно провести эксперимент по получению водорода дома. Вот только в этом случае не стоит забывать об осторожности при работе с горючими веществами.

Изначально следует позаботиться о наличии под рукой всего необходимого для химического эксперимента. Во-первых, нужно убедиться в том, что пробирка для сбора водорода является полностью целой (даже самая маленькая трещинка может испортить весь процесс). Кроме того, перед проведением опыта с тлеющей лучиной, пробирку для предосторожности рекомендовано обмотать с помощью плотной ткани. После подготовительного процесса можно смело переходить к практике и, взяв в руки колбу, немного наполнить ее водой. Далее в воду помещается кусочек кальция, и емкость сразу же плотно закупоривается при помощи пробки. «Колено» трубки, что изогнуто и проходит через пробку, должно быть в емкости с водой («гидрозатворе»), а кончики трубки – слегка выглядывать из воды. Торчащий конец нужно очень быстро накрыть пробиркой, перевернутой верх дном. В итоге эта пробирка должна будет наполниться водородом (край пробирки держат в воде).

Как только в колбе полностью завершится реакция, пробирку надо сразу же закрыть очень плотной пробкой, которая держится верх дном, что поможет предотвратить улетучивание более легкого водорода. Кстати, лучше всего это проделать, продолжая ее край держать под водой. А вот для того чтобы проверить наличие водорода, необходимо вытащить пробку, а затем к краю пробирки поднести тлеющую лучинку. В итоге должен раздастся специфический хлопок. К месту будет напомнить о том, что кальций по сравнению со щелочными металлами, хоть и менее активный, но тоже опасен, поэтому работать с ним нужно все равно осторожно. Хранить его рекомендовано в емкости из стекла под пленкой из жидкого парафина, или керосина. Извлекать элемент следует непосредственно уже перед самим опытом при помощи длинного пинцета. Также по возможности лучше всего обзавестись резиновыми перчатками!

Также водород из воды в домашних условиях можно получить следующим весьма не сложным методом. Изначально в бутылку из пластика объемом в 1,5 литра набирается вода. После чего в этой воде растворяют едкий калий (примерно 15 грамм) или каустическую соль. Далее бутылку нужно поместить в кастрюлю, в которую предварительно набирают воду. Теперь необходимо взять 40 сантиметровую алюминиевую проволоку и порезать ее на кусочки, длина которых должна ровняться 5 сантиметрам. Порезанная проволока кидается в бутылку, а на ее горловину надевается заранее подготовленный резиновый шарик. Водород, что выделяется в ходе реакции между алюминием и щелочью, будет собираться в резиновом шарике. Поскольку данная реакция осуществляется с активным выделением тепла – нужно непременно соблюдать правила безопасности и действовать осторожно!

И наконец-то, водород из воды получают при помощи обычной поваренной соли. Для этого в стеклянную емкость с узким горлышком засыпают соль в размере пяти больших ложек и хорошо размешивают. После чего берется провод из меди и просовывается в шприц со стороны поршня. Этот участок необходимо хорошо герметизировать при помощи клея. Далее шприц опускают в емкость с соляным раствором и постепенно заполняют его. Медный провод надо подключить к отрицательному выводу аккумулятора 12 Вольт. В итоге реакции электролиза, возле проводка начнет выделяться водород, который вытесняется из шприца соляным раствором. Как только медный провод перестанет контактировать с соленой водой, реакция полностью завершиться. Вот так можно с помощью довольно простых методов самостоятельно получить водород из воды. Кстати, в ходе использования любого из методов необходимо помнить, что водород при смешивании с кислородом становится взрывоопасным!

uznay-kak.ru

Как получить водород: методы

• Паровая конверсия метана и природного газа: водяной пар при высокой температуре (700 – 1000 градусов Цельсия) смешивается с метаном под давлением, в присутствии катализирующего вещества.
• Газификация угля: один из старейших способов получения водорода. Без доступа воздуха, при температуре 800 – 1300 градусов Цельсия нагревают уголь вместе с водяным паром, при этом из воды уголь вытесняет кислород. На выходе получается углекислый газ и водород.
• Электролиз воды.: очень простой способ получения водорода. В емкость наливается раствор соды, в который помещается 2 электрических элемента, один соответствует минусу – катод, другой плюсу – анод. В данный раствор подается электричество, которое разлаживает воду на составляющие – водород выделяется на катоде, а кислород на аноде.
• Пиролиз: разложение воды на водород и кислород без доступа воздуха и при высокой температуре.
• Частичное окисление: сплав металлов алюминия и галлия формируют в специальные брикеты, которые помещают в емкость с водой, в результате химической реакции образуется водород и окись алюминия. Галлий используется в сплаве для предотвращения окисления алюминия.
• Биотехнологии: еще в 20 веке было обнаружено, что если водорослям хламидомонадам не будет хватать кислорода и серы в процессе жизнедеятельности, то они бурно начнут выделять водород.
• Глубинный газ планеты: в недрах земли водород может находится в чистом газообразном виде, но его выработка оттуда не целесообразна.

Как из воды получить водород

Наиболее простым способом получения водорода из воды является электролиз. Электролиз — химический процесс, при котором раствор электролита, под воздействием электрического тока, разделяется на составные части, то есть в нашем случае вода разделяется на водород и кислород. Для этого используется раствор соды в воде и два элемента – катод и анод, на которых и будут выделятся газы. На элементы подается напряжение, на аноде выделяется кислород, а на катоде водород.

Как получить водород в домашних условиях

Реактивы используются довольно простые – купорос (медный), поваренная соль, алюминий и вода. Алюминий можно взять из под пивных банок, но прежде, его нужно обжечь, чтобы избавится от пластиковой пленки, которая мешает реакции.

Потом отдельно готовится раствор купороса, и раствор соли, раствор купороса голубого цвета, смешивается с раствором соли, в итоге получается раствор зеленого цвета. Затем в этот зеленый раствор бросаем кусочек алюминиевой фольги, вокруг него появляются пузырьки – это водород. Также замечаем, что фольга покрылась красным налетом, это алюминий вытеснил медь из раствора. Для того, чтобы собрать водород для личных целей, используйте бутылку с пробкой, в которую заранее вставлена не широкая трубка, через которую и будет выходить газ.

А теперь, внимание! Меры предосторожности. Поскольку водород взрывоопасный газ, опыты с ним нужно проводить на улице, а во-вторых реакция получения водорода проходит с большим выделением тепла, раствор может разбрызгиваться и вас попросту обжечь.

Как получить перекись водорода

• В лаборатории перекись водорода получают с помощью реакции: ВаО 2 + Н 2 SО 4 = BaSO 4 + H 2 O 2 .
• В промышленных масштабах ее получают с помощью электролиза серной кислоты, в процессе которого образуется надсерная кислота, которую, в итоге, разлаживают на серную кислоту и перекись водорода.
• Как получают водород в лаборатории еще: часто водород в лаборатории получают взаимодействием цинка и соляной кислоты: Zn + 2HCl = H 2 + ZnCl 2 .

Надеюсь, с этой статьи вы вынесли ту информацию, которая вам была необходима, и еще раз предупреждаю – будьте осторожны с любыми опытами и экспериментами с водородом!

elhow.ru

В данной статье описаны наиболее популярные способы получения дешевого водорода в домашних условиях.

Способ 1.
Водород из алюминия и щелочи.

Используемый раствор щелочи – едкого кали (гидроксид калия), либо едкого натра (гидроксид натрия, продается в магазинах, как средство очистки труб «Крот»). Выделяемый водород более чистый, чем при реакции кислот с активными металлами.

Насыпаем в колбу небольшое количество едкого кали либо натра и заливаем 50 -100 мл воды, перемешиваем раствор до полного растворения кристаллов. Далее добавляем несколько кусочков алюминия. Сразу же начнется реакция с выделением водорода и тепла, сначала слабая, но постоянно усиливающаяся.
Дождавшись пока реакция будет происходить более активно, аккуратно добавим еще 10г. щелочи и несколько кусочком алюминия. Так мы значительно усилим процесс.
Закупориваем колбу, пробиркой с трубкой ведущей сосуд для сбора газа. Ждем примерно 3 -5 мин., пока водород вытеснит воздух из сосуда.

Как образуется водород? Оксидная пленка, которая покрывающая поверхность алюминия, при контакте с щелочью разрушается. Так как алюминий является активным металлом, то он начинает реагировать с водой, растворяясь в ней, при этом выделяется водород.

2Al + 2NaOH + 6h3O → 2Na + 3h3

Способ 2.
Водород из алюминия, сульфата меди и пищевой соли.

В колбу насыпаем немного сульфата меди (медный купорос, продается в любом магазине для сада), и соли (соли чуть больше). Добавляем воду и перемешиваем до полного растворения. Раствор должен, окрасится в зеленый цвет, если этого не произошло, добавьте еще небольшое количество соли.
Колбу необходимо поставить в чашку наполненной холодной водой, т.к. при реакции, будет выделятся большое количество тепла.
Добавляем в раствор несколько кусочков алюминия. Начнется реакция.

Как происходит выделение водорода? В процессе образуется хлорид меди, смывающий оксидную пленку с метала. Одновременно с восстановлением меди происходит образование газа.

Способ 3.
Водород из цинка и соляной кислоты.

Помещаем в пробирку кусочки цинка и заливаем их соляной кислотой.
Являясь активным металлом цинк, взаимодействуя с кислотой, вытесняет из нее водород.

Zn + 2HCl → ZnCl2 + h3

Способ 4.
Производство водорода электролизом.

Пропускаем через раствор воды и проваренной соли электрический ток (12В). При реакции, будет выделятся водород (на аноде) и кислород (на катоде).

При получении водорода и последующих экспериментах, соблюдайте технику безопасности.

all-he.ru

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H 2 O → 2H 2 + O 2 — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

• реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
• металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
• второй резервуар играет роль водяного затвора;
• трубки для отвода газа HHO.

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Примечание. Подробно о работе схемы рассказывается на ресурсе http://www.meanders.ru/meiers8.shtml.

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

• цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
• трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
• провода, изоляторы.

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Принципиальная схема включения электролизера

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

• резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
• концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
• шпильки стяжные М10-14;
• обратный клапан для газосварочного аппарата;
• фильтр водяной под гидрозатвор;
• трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
• гидроокись калия в виде порошка.

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Схема генератора мокрого типа

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

1. На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7-15% раствор гидроокиси калия в воде.
2. В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
3. Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Выгодно ли получать водород в домашних условиях

Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:

• использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
• бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
• применять для газосварочных работ.

Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.

Вспомним, что мы писали в первом разделе. Hydrogen – весьма активный элемент и реагирует с кислородом самостоятельно, выделяя уйму тепла. Пытаясь разделить устойчивую молекулу воды, мы не можем подвести энергию непосредственно к атомам. Расщепление производится за счет электричества, половина которого рассеивается на подогрев электродов, воды, обмоток трансформаторов и так далее.

Важная справочная информация. Удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м³ гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана. Ведь водород – легчайший химический элемент.

Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:

Для справки. Чтобы сжигать гидроген в отопительном котле, придется основательно переработать конструкцию, поскольку водородная горелка способна расплавить любую сталь.

Заключение

Водород в составе газа ННО, полученный из самодельного генератора, пригодится для двух целей: экспериментов и газосварки. Даже если отбросить низкий КПД электролизера и затраты на его сборку вместе с потребляемым электричеством, на обогрев здания попросту не хватит производительности. Это касается и бензинового двигателя легковой машины.

Водород уже достаточно давно рассматривается и кое-где используется в качестве экологически чистого вида топлива . Но более широкому использованию водородного топлива мешает целый ряд неразрешенных на сегодняшний день проблем, главными из которых являются хранение и транспортировка. Однако, группа исследователей из американской Армейской научно-исследовательской лаборатории, проводя эксперименты на Абердинском испытательном полигоне близ Мериленда, сделала случайное открытие. Пролив воду на брусок особого алюминиевого сплава, состав которого держится пока в секрете, исследователи заметили мгновенно начавшийся процесс бурного выделения водорода.

Из школьного курса химии, если кто его еще помнит, водород является побочным продуктом реакции между водой и алюминием. Однако, данная реакция обычно протекает лишь при достаточно высокой температуре или в присутствии специальных катализаторов. Да и тогда она идет достаточно «неторопливо», на заполнение бака водородного автомобиля потребуется около 50 часов, а энергетическая эффективность такого метода получения водорода не превышает 50 процентов.

Все вышесказанное не имеет отношения к реакции, в которой принимает участие новый сплав алюминия. «Эффективность этой реакции вплотную приближается к 100 процентам, а сама реакция «разгоняется» до максимальной производительности менее, чем за три минуты» — рассказывает Скотт Грендаль (Scott Grendahl), руководитель научной группы.

Использование системы, вырабатывающей водород по мере необходимости, решает массу имеющихся проблем. Воду и алюминиевый сплав легко транспортировать из одного места в другое, оба этих вещества сами по себе инертны и стабильны. Во-вторых, для начала реакции не требуется никакого катализатора, ни первоначального толчка, реакция начинает идти сразу же, как вода входит в контакт со сплавом.

Все вышесказанное еще не означает, что исследователи обнаружили панацею в области водородного топлива. В этом деле существует еще целый ряд вопросов, подлежащих выяснению или уточнению. Первым вопросом является то, будет ли работать такая схема получения водорода вне лаборатории, ведь существует множество примеров, когда экспериментальные технологии отлично работают в лабораторных условиях, но терпят полную неудачу при полевых испытаниях. Вторым вопросом является вопрос сложности и стоимости производства алюминиевого сплава, стоимость утилизации продуктов реакции, которые станут факторами, определяющим экономическую целесообразность нового способа получения водорода.

И в заключение следует отметить, что на выяснение упомянутых выше вопросов, скорее всего, уйдет не так уж и много времени. И только после этого можно будет сделать выводы о дальнейшей жизнеспособности нового метода получения водородного топлива.

«Водород генерируется только при необходимости, так что вы можете произвести его ровно столько, сколько нужно», — пояснил Вудалл на университетском симпозиуме, где описывались детали открытия. Данная технология может, например, применяться совместно с небольшими двигателями внутреннего сгорания в различных применениях – портативных аварийных генераторах, газонокосилках и пилах. Теоретически, она может быть использована и на легковых автомобилях и грузовиках.

Водород выделяется самопроизвольно, когда вода добавляется к шарикам, выполненным из сплава алюминия и галлия. «При этом алюминий в твердом сплаве реагирует с водой, отрывая от ее молекул кислород», — комментирует Вудалл. Соответственно, оставшийся водород выделяется в окружающее пространство.

Наличие галлия является критичным для прохождения реакции, так как он препятствует формированию пленки оксида на поверхности алюминия при его окислении. Такая пленка обычно предотвращает дальнейшее окисления алюминия, выступая в качестве барьера. Если же ее формирование окажется нарушенным, реакция будет идти до тех пор, пока не израсходуется весь алюминий.

Вудалл открыл данный процесс с жидким сплавом алюминия-галлия в 1967 году, когда он работал в полупроводниковой промышленности. «Я очищал тигель, содержавший сплав галлия и алюминия, — рассказывает он, — Когда я добавил туда воду, произошел сильный хлопок. После этого я удалился в лабораторию и в течение нескольких часов изучал, что же именно произошло».

«Необходимым компонентом является галлий, так как он плавится при низкой температуре и растворяет алюминий, что делает возможным реакцию последнего с водой. – поясняет Вудалл. – Это было неожиданным открытием, так как хорошо известно, что твердый алюминий не взаимодействует с водой».

Конечными продуктами реакции являются галлий и оксид алюминия. Сжигание же водорода приводит к образованию воды. «Таким образом, никаких токсичных выбросов не получается, — говорит Вудалл, — Важно отметить и то, что галлий не участвует в реакции, так что его можно утилизировать и использовать вновь. Это важно, так как сейчас этот металл намного дороже алюминия. Впрочем, если данный процесс начнет широко использоваться, то добывающая промышленность сможет выпускать более дешевый низкосортный галлий. Для сравнения, весь используемый сейчас галлий имеет высокую степень очистки и используется, главным образом, в полупроводниковой промышленности».

Вудалл говорит, что, так как водород может использоваться вместо бензина в двигателях внутреннего сгорания, возможно применение методики на автомобильном транспорте. Однако для того, чтобы технология смогла конкурировать с бензиновой, необходимо снизить стоимость восстановления оксида алюминия. «Сейчас стоимость одного фунта алюминия превышает $1, и поэтому вы не сможете получить количество водорода, эквивалентное бензину по цене $3 за галлон», — поясняет Вудалл.

Впрочем, стоимость алюминия может быть снижения, если он будет получаться из оксида с помощью электролиза, а электроэнергия для него будет идти с или . В этом случае алюминий может производиться прямо на месте, и отпадает необходимость в передаче электроэнергии, что снижает общие затраты. Кроме того, такие системы могут располагаться в удаленных районах, что особенно важно при постройке атомных электростанций. Данный подход, по мнению Вудалла, позволит уменьшить использование бензина, снизить загрязнение и зависимость от импорта нефти.

«Мы называем это водородной энергетикой на основе алюминия, — говорит Вудалл, — Причем не будет никаких сложностей, чтобы переделать двигатели внутреннего сгорания на работу от водорода. Все, что нужно – заменить их топливный инжектор на водородный».

Также система может применяться и для питания топливных ячеек. В этом случае она уже может конкурировать с бензиновыми двигателями – даже при сегодняшней высокой стоимости алюминия. «КПД систем на топливных элементах составляет 75%, тогда как двигателя внутреннего сгорания – 25%, — говорит Вудалл, — Таким образом, как только технология будет широко доступной, наша методика извлечения водорода станет экономически оправданной».

Ученые подчеркивают ценность алюминия для генерации энергии. «Большинство людей не догадывается, насколько много энергии заключено в нем, — поясняет Вудалл, — Каждый фунт (450 граммов) металла может дать 2 кВт*часа при сжигании выделившегося водорода, и еще столько же энергии в виде тепла. Таким образом, средний автомобиль с баком, заполненным шариками из сплава алюминия (около 150 кг) сможет проехать порядка 600 км, и это будет стоить $60 (при этом предполагается, что оксид алюминия затем будет утилизирован). Для сравнения, если я залью в бак бензин, то буду получать с каждого фунта 6 кВт*часов, что в 2.5 раза больше энергии от фунта алюминия. Другими словами, мне нужно будет в 2.5 раза больше алюминия, чтобы получить такое же количество энергии. Однако важно то, что я полностью исключаю бензин, и применяю вместо него дешевое вещество, доступное в США».

При взаимодействии с водой одного килограмма электровзрывного нанопорошка алюминия выделяется 1244,5 л водорода, который при сжигании дает 13,43 МДж тепла. Эффективность такого процесса получения водорода выше, чем в случае электролиза. Окисление электровзрывного нанопорошка алюминия протекает на 100 %, т. е. применяемый материал используется полностью.

Описание:

Для ряда важных применений в гражданской и военной области необходимы мобильные источники энергии, в частности, работающие на водороде, и технологии, которые бы обеспечили получение
водорода в обычных, полевых условиях. Техническое решение этой проблемы – получения водорода основано на применении энергоаккумулирующих веществ с хемотермическим эффектом, в частности использование генераторов
водорода работающих на эффекте саморазогрева электровзрывных наночастиц алюминия (ALEX) в воде.

При взаимодействии с водой
одного килограмма электровзрывного нанопорошка алюминия выделяется 1244,5 л водорода, который при сжигании дает 13,43 МДж тепла. Эффективность такого процесса получения
водорода выше, чем в случае электролиза. Окисление электровзрывного нанопорошка алюминия протекает на 100 %, т. е. применяемый материал используется полностью.

Особенности теплового режима процесса взаимодействия нанопорошков алюминия с водой приводят к появлению новых эффектов, которые не были известны для реакции с участием крупных порошков алюминия.

В первую очередь – это эффект саморазогрева наночастиц до температур, превышающих температуру окружающей воды на сотни градусов.

Так, при использовании промышленного порошка алюминия микронного размера скорость выделения водорода составляет лишь 0,138 мл в секунду на 1 г порошка. При этом в конечный продукт – смесь оксидов и гидроксидов алюминия – превращается только 20…30 % исходного порошка. Нанопорошок алюминия по своей реакционной способности превосходят обычные промышленные порошки микронного размера. В то же время, скорость выделения водорода при взаимодействии нанопорошка алюминия с дистиллированной водой при 60 °С составляет 3 мл в секунду на 1 г порошка, при 80 °С – 9,5 мл в секунду на 1 г порошка, что превышает скорость выделения водорода при гидротермальном синтезе
приблизительно в 70 раз.

Другим преимуществом использования нанопорошка в данной реакции является то, что степень превращения алюминия составляет 98…100 % (в зависимости от температуры).

Более того, введение в дистиллированную воду даже незначительных количеств щелочи приводит к значительному возрастанию скорости реакции: при увеличении рН раствора до 12 скорость выделения водорода возрастает до 18 мл в секунду на 1 г порошка при 25 °С. Скорость выделения водорода при растворении алюминия микронного размера в растворе, содержащем 8 г/л NaOH, при этой же температуре, составляет лишь 1 мл в секунду на 1 г порошка.

Приведенные данные показывают, что электровзрывные нанопорошки алюминия, в отличие от компактного алюминия и крупных промышленных порошков, взаимодействуют с водой с большой скоростью и степенью превращения ~100 % и именно их применение позволит получать водород с достаточной скоростью при обычных условиях.

Преимущества:

– простой и эффективный способ получения водорода в обычных и полевых условиях,

–
получение водорода с высокой скоростью – в 10 (десятки) раз, превышающая традиционные технологии
,

промышленное получение водорода из воды кислот цинка электролизом воды соляной кислоты газа в лаборатории своими руками серной кислоты

раствор методы схема уравнения установка способы реакции электролизер для получения водорода

химическое получение кислорода перекиси аммиака пероксида оксида жидкого водорода в домашних условиях металлом свойства железа видео

получение электроэнергии воды из водорода и кислорода в промышленности применение из алюминия

способы электролизер для получения водорода своими руками
купить из воды

уравнение реакций технологии аппарат формула процесс промышленный способ бинарное неорганическое соединение для получения водорода пара

использование энергии получение водорода

Коэффициент востребованности

257

Ученые ТПУ разрабатывают электролизер для водородной энергетики

ТОМСК, 10 дек –
РИА Томск. Исследователи лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и
плазменных технологий Томского политехнического университета (ТПУ)
разрабатывают промышленную установку (электролизер) для получения водорода на
АЭС; запуск ее в серийное производство позволит вывести
экологически чистую водородную энергетику на новый уровень. Подробности – в
материале РИА Томск.

Ранее сообщалось,
что водородная энергетика – одно из ведущих направлений по разработке экологически
чистых способов получения энергии. Рамочная конвенция ООН, подписанная Россией
в 2015 году, предполагает кратное сокращение выбросов углерода при производстве электроэнергии в ближайшее десятилетие. Основными
«поставщиками» углекислоты в атмосферу являются объекты традиционной
энергетики (ГРЭС и ТЭЦ).

По данным
открытых источников, будучи самым распространенным элементом на Земле и в
космосе, водород, тем не менее, остается почти невостребованным. Если в 2018
году в мире было добыто 4,4 миллиарда тонн нефти и 3,86 триллиона кубометров
природного газа (метана), то объем производства водорода не превышает 70 миллионов
тонн, то есть объем его выработки в 6285 раз меньше, чем нефти, и в 5514 раз
меньше, чем газа.

© пресс-служба Томского политехнического университета

Водород, который
сегодня используется в экономике, принято разделять на «серый» –  из
угля, нефти и газа, «голубой» – на теплоэлектростанциях или АЭС с
технологией CCS – и «зеленый» – выделенный из воды (ВИЭ). Согласно недавним
исследованиям Wood Mackenzie, сегодня 99% водорода являются «серым» и
«голубым», его выработка создает огромный углеродный след,
сопоставимый с половиной суммарных выбросов CO2 всей экономикой России, и
только 1% водорода считается экологичным «зеленым».

Для масштабного
перехода к получению энергии от сжигания водорода необходимо разработать
технологии его производства, сопоставимые по объемам выпуска с традиционными
источниками углеводородов. Однако самый дешевый способ его производства –
паровой риформинг (каталитическая конверсия углеводородов – метана,
пропан-бутана, бензина, керосина, дизтоплива, угля – в присутствии водяного пара) в ходе реакции создает огромные объемы СО2.

Альтернатива
пиролизу

Альтернативным
методом получения водорода в промышленных масштабах (а именно такие нужны для
запуска водородных электростанций) является электролиз.

Электролиз – это процесс
разложения воды под действием постоянного электрического тока на кислород и
водород. Химическая реакция идет по схеме: 2Н2O + энергия —> 2h3+O2. Его преимущества: доступное сырье – деминерализованная вода и электроэнергия; отсутствие
загрязняющих выбросов; процесс автоматизирован; на выходе получается достаточно
чистый (99,99%) продукт. Главный недостаток – получение водорода дороже, чем
при риформинге, в 1,5–3 раза.

В такой системе
координат в выигрыше оказываются производители электроэнергии высокой
мощности, которые могут «вложить» ее в производство высоколиквидного
«зеленого» топлива. В России это главным образом атомщики,
рассказал РИА Томск главный специалист лаборатории импульсно-пучковых,
электроразрядных и плазменных технологий ТПУ Виктор Дмитриенко.

© пресс-служба Томского политехнического университета

«На атомных
станциях себестоимость электроэнергии очень низкая. И мощности, как правило,
избыточные. Потому мы сейчас предполагаем, что сможем заключить контракт с
Росатомом, который хочет использовать свою дешевую электроэнергию для
производства водорода. Это позволит корпорации стать крупнейшим производителем
этого экологичного топлива в России», – сказал Дмитриенко.

Промышленные
установки для получения водорода методом электролиза известны более 60 лет,
поясняет ученый. В основном это электролизеры фильтр-прессного типа, которые
на выходе позволяют получать водород и кислород.

Широкое
распространение они получили в традиционной углеводородной энергетике – их
устанавливают на ГРЭС и ТЭЦ, где водород используют для охлаждения турбинных
подшипников, неизбежно раскаляющихся от трения. Еще один способ их
использования – электролиз цветных металлов из измельченной руды. К примеру,
золота. Но для выработки водорода как товарного продукта они не подходят.

«Наша цель –
разработать электролизер, который бы обладал улучшенными характеристиками по
сравнению с существующими. Соответственно, электролизер фильтр-прессного типа
нам не подходит. Мы взяли за основу конструкцию мембранного типа, в которой
катодное и анодное пространство разделены ионообменной мембраной», – рассказывает Дмитриенко.

Мембрана особого
назначения

Казалось бы,
электролиз – доступный и давно известный способ получения водорода из воды.
Однако, если применять «школьную» конструкцию электролизера, вместо
СО2 неизбежно будет вырабатываться не менее опасный побочный продукт – хлор (CI2), который появляется на аноде.

© предоставлено пресс-службой ТПУ

«Представьте,
в Красноярске завод «Красцветмет» находится в городской черте. Если
применять там электролиз для осаждения цветмета из руды без применения
мембраны, будут вырабатываться огромные объемы хлора. Это значит, нужно строить
дорогую систему очистки, утилизации, вентиляции. И все равно в жилых районах
это будет бомба замедленного действия. Лучше вовсе избежать появления опасных
соединений», – утверждает ученый.

Большинство
имеющихся на рынке мембранных электролизеров разделяют катодную и анодную
камеры, в которых происходит электролитическая диссоциация (химическая реакция,
вызванная электрическим напряжением в жидком растворе), прокладкой из асбеста. Мембрана,
которую используют томские политехники, сложнее.

«На нашей
установке, в ходе электролиза, мы будем получать три продукта – водород, чистый
медицинский кислород и 40%-ный раствор щелочи (КОН  или NaОH). Все три составляющих – это товарные продукты. Но главная наша задача – разработать экономически выгодный электролизер для производства водорода в
промышленных масштабах», – подчеркивает Дмитриенко.

От бумаги до
железа

В настоящий
момент исследователи ведут переговоры с Росатомом для включения своих
исследований в программу водородной энергетики, запущенную в госкорпорации.

«У нас есть
опыт работы с мембранными электролизерами. Мы уже выполняли работы по заказу
«Трансгаза», там наш мембранный электролизер работал над изменением
рН-среды. Есть опыт разработки и изготовления различных электролизеров с катионо-
и анионообменными мембранами для
осаждения золота из продуктивных растворов», – рассказывает Дмитриенко.

© предоставлено лабораторией импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ

Промышленный мембранный электролизер для осаждения золота. Разработка ТПУ

За свою историю
сотрудники лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных
технологий ТПУ изготовили порядка 20 установок для электролиза. Для нужд «Алданзолото ГРК» политехники изготовили электролизер с анионообменными
мембранами, для Дальневосточного
федерального университета – опытно-промышленную установку осаждения металлов с
катионо- и анионообменными мембранами, а для ООО «Гелиос» – pH-корректор с биполярными мембранами.

Опытной установки
для производства водорода, «заточенной» под потребности Росатома, «в железе» пока нет, признает Дмитриенко.

© с сайта ТПУ

«Предварительная
конструкция у нас уже проработана. Все необходимые чертежи подготовлены. При
наличии финансирования собрать опытную установку мы сможем быстро.
Финансирование мы планируем получить от Росатома, если попадем в их водородную
программу», – отмечает ученый.

Не в одиночку

Ранее также
сообщалось, что в ноябре 2020 года ТПУ вошел в состав консорциума по развитию водородных
технологий, который получил название «Технологическая водородная
долина». Помимо ТПУ в консорциум вошли Институт
катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт
нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет
и Сахалинский государственный университет.

Участники
консорциума будут вести совместные разработки технологий по всей
«водородной цепочке»: от получения до использования водорода.
Консорциум планирует тесное сотрудничество с крупнейшими компаниями РФ,
заинтересованными в развитии водородной энергетики.

Электролизеры для получения водорода

Применение электролизеров

Постоянный рост цен на энергоносители позволил по-новому подойти к электролитическим процессам. Разработаны различные типы установок для получения:

• алюминия;
• хлора;
• водорода для плазменных аппаратов резки и сварки.

Также устройства работают в составе агрегатов, производящих очистку, обеззараживание питьевой воды и воды для бассейнов, как добавка к топливу для авто, позволяющая полностью использовать потенциал углеводородов. Водород горит значительно раньше бензина. Бензин воспламеняется уже не от искры, а от пламени, что повышает усилие, давящее на поршень двигателя машины.

Некоторые умельцы используют электролиз воды в домашних условиях для обогрева помещений. Но здесь стоит отметить, что себестоимость полученного горючего водорода значительно превосходит по цене тот же природный газ. К тому же температура горения водорода довольно высокая и не всякий металл способен выдержать длительное воздействие без разрушения. А использование термостойких материалов экономически не оправдано.

Виды агрегатов

Различный подход к проблеме позволил создать множество типов электролизеров, среди которых:

• сухой;
• мокрый;
• проточный;
• мембранный;
• диафрагменный;
• щелочной.

В сухих моделях используется набор плоских электродов для подключения высоковольтного блока питания. А связано это с тем, что подаваемое питание на один анод и катод составляет не более 2 В. В автомастерской много аккумуляторов напряжением 12 В, поэтому самодельное устройство может иметь по 6 электродов. Собранная конструкция помещена в герметично закрытую емкость.

В отличие от сухого типа мокрая модель электролизера отличается открытой емкостью. Из-за чего возникает необходимость в постоянном контроле уровня электролита.

Проточный вариант отличается тем, что выделение водорода происходит в отдельной емкости. После чего раствор возвращается в основную емкость с установленными электродными парами.

Мембранный тип отличается тем, что роль электролита выполняет мембрана — твердый электролит. Мембрана выполняет два назначения. Первое — перенос ионов. Второе — отделение продуктов электрохимической реакции на физическом уровне.

Диафрагменный тип аппаратов применяется в том случае, когда не допускается диффузия элементов. Для изготовления пористой диафрагмы используют:

• керамику;
• асбест;
• стекло;
• полимерную ткань;
• стеклянную вату.

Прибор, работающий на щелочном растворе предпочтительнее, так как из соляных растворов в процессе реакции происходит выделение хлора, который считается отравляющим веществом.

Щелочную добавку вводят из-за невозможности проведения процесса в дистиллированной воде. Разложения не происходит из-за отсутствия разно заряженных ионов.

Электролизер своими руками

Электролизер для получения водорода своими руками сделать вполне возможно. Перед началом изготовления прибора необходима схема электролизера. Их встречается на просторах интернета большое количество, и подобрать необходимую не составит труда. На основании выбранной схемы разрабатываются чертежи электролизера своими руками.

Затем необходимо подобрать материалы для изготовления элементов. Наилучшим вариантом для изготовления пластин является нержавеющая сталь марки 03Х16Н15М3. маркировка по иностранным стандартам AISI 316 L. Она устойчива к коррозии от воздействия воды и щелочей.

Необходимо изготовить детали в количестве 16 штук. Их можно разместить на стальном квадрате 500×500 мм. Разметив, их можно вырезать ножницами по металлу, если позволит толщина металла, или болгаркой.

На каждом элементе необходимо отрезать один угол, а с противоположной стороны просверлить отверстие, диаметр которого должен совпадать с диаметром соединительного болта.

Сборка пакета пластин производится в следующей последовательности: положительная — отрицательная — положительная — отрицательная и так далее. Эта последовательность обеспечивает высокую плотность тока.

Изолирование пластин между собой производится не проводящей электричество поливинилхлоридной или силиконовой трубкой. Она разрезается вдоль, а ее толщина составляет 1 мм. Затем из нее нарезаются квадратики и сверлятся отверстия. Зазора в один миллиметр вполне достаточно для интенсивного производства газа.

Собранную конструкцию помещают в пластиковый контейнер необходимого объема с герметично закрывающейся крышкой. Если длинные винты не дают ровно установиться их следует отпилить, а гайки надежно затянуть. В крышке сверлятся отверстия, в которых закрепляются штуцера. Для обеспечения герметичности используется силиконовый герметик.

Перед подключением источника питания требуется провести расчет подаваемого напряжения. Его значение пропорционально площади и количеству пластин. Во время пробного запуска при недостаточной мощности заметно движение жидкости. В дальнейшем для перехода в рабочие режимы следует постепенно повышать мощность.

При отсутствии источника постоянного тока можно самостоятельно сделать схему мощного выпрямителя. Для этого понадобятся:

1. резисторы, кОм — 2,7, 3, 10, 15, 30;
2. диоды — Д232, Д226Б, Д814Б;
3. транзисторы — МП26Б, П308;
4. конденсатор, мкФ — 0,5;
5. тиристор — КУ202Н;
6. резистор переменный, кОм — 3…22;
7. амперметр.

В заключение стоит отметить, что электролиз в домашних условиях — это доступный способ получать для дома и автомобиля водородный топливный ингредиент. Подключение самодельной установки не вызывает трудностей. Работать она может от постоянного тока и от переменного, но через выпрямитель.

Вода как топливо h3O -> HHO

Немного истории.
Наверняка многие слышали про машину на воде, что Япония сделала ДВС на воде, а если быть точнее то на водороде. На самом деле ДВС на водороде придумали гораздо раньше, примерно в 20-30гг. А способ синтеза водорода из обычной воды появился параллельно с появлением электричества, да, да, попытки сохранить электричество в воде открыли человечеству водород как побочное действие тех опытов.

Бифельд Браун в 1921г разработал генератор, который с помощью электрических импульсов позволял разбивать атомы h3O на два атома водорода и один атом кислорода, он назвал эту гремучею смесь газом, сейчас этот газ называют газом Брауна. Позднее Браун предложил свой собственный вариант ДВС на водороде, который позволял отказаться от нефтяных продуктов. Нефтяным владельцам это не понравилось, они видели угрозу их богатству и карьере. Бифельд Браун загадочно исчез. Так про водород как топливо забыли на долго. Лишь во вротой мировой войне, когда был дефицит топлива в России, пришлось вспомнить про водород и использовать отработанный водород из дережаблей как топливо для ДВС, после войны про водород опять забыли и человечество стало привыкать к выхлопам.

В СССР русские ученые впервые разработали полностью новый ДВС на водороде, были выпущены несколько микроавтобусов. Но по не понятным многим причинам исследование и выпуск автомобилей на водороде прекратились. И здесь очевидно кто за этим стоит.

Текст писал сам, из личных знаний, если обнаружите неточности, сообщите, поправлю.

Когда я наткнулся на ролик в интернете про устройство, которое позволяло автомобилям экономить топливо от 20% до 40%, то отнесся к нему скептически, но все же решился на эксперимент. Собрав простой генератор газов Брауна, я дико удивился результатом. После подтверждения я полез в интернет собирать информацию. Делал много опытов и экспериментов, в том числе и личных, пробовал много конструкций и реагентов.

Многие знают что при сжигании нефтяных продуктов в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа СО2. Но не многие широко смотрят на эту проблему. В своем небольшом городке я живу уже 14 лет. Я хорошо помню то время, как приехал в этот город, в городе было очень мало автомобилей, дороги, стоянки были почти пустыми, про пробки даже мыслей не было. Сейчас каждый день я наблюдаю такую картину — пробки на дорогах, густое движение по дорогам, шум, стоянки во дворах просто на просто забиты машинами особенно под вечер. Что будет еще через 14 лет? Это очень печальная картина. Выброс СО2 способствует нарушению парникового эффекта, это нарушение уже происходит давно со времен индустриальной эпохи, вред экосистеме все заметнее и заметнее. Посмотрев данные по нефтяной отрасли, их прибыль и выброса углерода в атмосферу, статистика меня привела в шок! Если так пойдет дальше то человечество настигнет до точки не возврата очень быстро, мы уже не будем в состоянии что то менять.

Меня беспокоит тот факт что ученые и экологи не че не предпринимают для решения многих жизненно важных проблем. Они лишь изучают и собирают данные, говорят что это из-за того из-за этого, так возьмите и решите эти проблемы на корню! Они не предлагают ни каких решений для решения проблем.

Я не ученый и не эколог, я практикую альтернативную науку. Я лишь хочу, что то изменить в пользу нашему поколению. И я не склонен к тщеславию, мне не нужны аплодисменты и я не хочу наживаться на проблемах. Я хочу делиться своими наработками и знаниями с вами.

Создаем прибор своими руками

Прибор для этого процесса можно сделать самостоятельно.

Для этого понадобятся:

• Лист нержавеющей стали;
• Болты М6 х 150;
• Шайбы;
• Гайки;
• Прозрачная трубка;
• Штуцеры;
• Пластиковый контейнер на полтора литра;
• Фильтр для очистки воды;
• Обратный клапан для воды.

Отличный вариант нержавейки — AISI 316L иностранного производителя или 03Х16Н15М3 отечественного производителя. Совсем не обязательно покупать нержавейку, можно взять старую. Вам будет достаточно 50 на 50 сантиметров .

«Зачем брать именно нержавейку?» — спросите вы. Потому что на обычном металле появится ржавчина. Нержавейка лучше переносит воздействие щелочей. Следует разметить лист так, чтобы разделить его на 16 одинаковых квадратов. Распилить его можно болгаркой. В каждом квадрате спилите один из углов.

На противоположной стороне и противоположном углу, от спиленного угла, просверлите дырку для болта, который поможет скрепить пластины. Электролизер работает так: от пластины к пластине идёт электричество – и вода распадается на кислород и водород. Поэтому нам понадобится положительная и отрицательная пластина.

Пластины следует подключать по очереди: плюс-минус-плюс-минус, при таком методе будет сильный ток. Для изолирования пластин друг от друга, используется трубка. От уровня отрезают кольцо. Разрезая его, мы получаем полоску толщиной в миллиметр. Такое расстояние является наиболее оптимальным для производства газа.

Пластины соединяются между собой с помощью шайб: на болт насаживаем шайбу, потом пластину и три шайбы, потом снова пластина и так далее. На плюс и минус нужно насадить по восемь пластинок. Если всё выполнить правильно, то спилы пластин не заденут электроды.

После потребуется затянуть гайки и изолировать пластины. Затем помещаем конструкцию в пластиковый контейнер.

Доводка и тестирование прибора

После этого следует определить, где болты касаются стен бокса и, в тех местах, просверлить две дырочки. Если вдруг так выйдет, что болты не помещаются в ёмкость, то их следует обрезать и затянуть для герметичности гайками. Теперь следует просверлить крышку и вставить туда штуцеры. Чтобы обеспечить герметичность, следует промазать шов с помощью силиконового герметика.

После сборки своими руками своего электролизера, следует его протестировать. Для этого подключаете прибор к источнику питания, наполняете его водой до болтов, надеваете крышку, подключив к штуцеру трубку и опустив противоположный конец трубки в воду. Если слабый ток, то внутри электролизера будет виден ток.

Постепенно увеличивайте мощность тока в сделанном своими руками приборе. Дистиллированная вода плохо проводит электричество, так как в ней нет солей и примесей. Чтобы приготовить электролит, нужно добавить щёлочь в воду. Для этого следует взять гидроксид натрия (содержится в средствах для очистки труб типа «Крота»). Защитный клапан нужен, чтобы препятствовать накоплению большого количества газа.

Советы

• В качестве катализатора лучше использовать дистиллированную воду и соду.
• Следует смешать часть соды к сорока частям воды. Боковые стенки лучше сделать из оргстекла.
• Электроды лучше сделать из нержавейки. Для пластин лучше всего использовать золото.
• В качестве прокладок используйте прозрачный поливинилхлорид. Они бывают размером 200 на 160 миллиметров.
• Свой электролизер, изготовленный своими руками, можно использовать для приготовления пищи, для полного сгорания бензина в автомобилях и во многих других случаях.

Для автомобилей используют, как правило, сухие электролизеры. Генератор увеличивает мощность двигателя внутреннего сгорания. Водород зажигается гораздо быстрее, чем жидкое топливо, увеличивая силу поршня. Кроме «Крота» можно взять «Мистер Мускул», каустическую соду, пищевую соду.

На чистой воде генератор не работает. Подключать электричество лучше так: первую и последнюю пластину – минус, а на пластину посередине – плюс. Чем больше площадь пластин и сильнее ток, тем больше газа выделяется.

• Фёдор Степанович Барыкин

(PDF) Проектирование простого и дешевого водного электролизера для производства солнечного водорода

, производящего водород без выброса загрязнителей воздуха или

парниковых газов [4].

Для производства водорода

необходимо подавать энергию либо из воды, либо из углеродсодержащего материала. Elec-

тролиз использует энергию для диссоциации водорода и

кислорода из воды:

h3O → h3 + 1 / 2O2 E0 = 1,23 В (1)

Таким образом, обратите внимание, что водород не является источником энергии,

как энергия необходимо для его производства.Водород

имеет наивысшую удельную энергию по сравнению с химическим топливом

кал, что делает его высокоэффективным энергетическим автомобилем

, который можно использовать для транспортировки, обогрева

и выработки электроэнергии. Это самое чистое горючее топливо

, и если оно производится из возобновляемых источников энергии

, таких как солнечная и ветровая энергия, оно имеет даже

с нулевым уровнем выбросов [5], когда оно используется в топливных элементах

для производства электроэнергии. . Хотя использование водорода

является экологически безопасным, очень важно, чтобы производство водорода было устойчивым и экологически безопасным.Эффективный,

чистый, обильный и возобновляемый водород — это

, несомненно, энергоноситель для питания будущего

word.

Вода, используемая в электролизе, конечно, является возобновляемым ресурсом, но для того, чтобы образующийся водород

считался возобновляемым, электричество для этого процесса

также должно было поступать из возобновляемого источника

. Среди систем возобновляемой энергии

фотоэлементы, которые вырабатывают постоянный ток

электричества при воздействии солнечного излучения, доступны повсюду на Земле,

могут считаться наиболее важным источником энергии

[6 ].Он вырабатывает электроэнергию практически без ущерба для окружающей среды, не имеет движущихся частей для

износа, без шума, модульный, что означает, что

они могут быть согласованы с потребностью в электроэнергии в любом масштабе

, могут использоваться как независимые источники питания или

в сочетании с другими, и они надежны

с долгим сроком службы. Электролитическое производство водорода

— это простой процесс без движущихся частей, и

может быть спроектирован как переносная установка.Этот метод

очень чистый, надежный и производит газообразный водород

высокой чистоты для большинства промышленных технологий.

Электролиз в щелочной воде представляет собой один из

лучших вариантов для производства водорода, так как

это технически испытанный и испытанный метод,

основан на промышленном процессе, насчитывающем

почти 100 лет [4]. Любые проводящие материалы

могут использоваться в качестве электродов для электролиза воды

при подаче надлежащего количества энергии.Для

щелочной водный электролиз Сплавы на основе никеля

аморфные или кристаллические были успешно испытаны

в качестве эффективных катодных материалов, в то время как выбор анода

в основном ориентирован на смешанные оксиды Ni-Co

со структурой шпинели [5 ]. В литературе имеется множество различных экспериментальных [6,7] и теоретических [8,9] исследований

годов производства водорода

с использованием фотоэлектрической системы с электролизером.Kothari et al.

al. [7] исследовали влияние температуры электролита, изменяющейся от 10 до 80 0C, на скорость получения водорода при электролизе щелочной воды

. Была разработана математическая модель

для определения и оптимизации тепловых

и экономических характеристик крупномасштабных фотоэлектрических систем

, либо с фиксированными, либо

панелями слежения за солнцем, использующими почасовые данные о солнечном излучении

[10 ].Lehman et al. [11] сообщил о проблемах с производительностью, безопасностью и обслуживанием

фотоэлектрической электростанции

, в которой использовалась технология накопления энергии на водороде

и регенерации топливных элементов. Нагай и др. [12] показали существование оптимального расстояния между электродами

при получении водорода

электролизом воды. Абдаллах и др.

[13] разработал модель системы солнечно-водородной энергии

путем получения соотношений между основными параметрами, связанными с энергией и энергией,

и между ними.Paul et al. [14] представили теоретический анализ

условий, необходимых для оптимального соединения

фотоэлектрической батареи со стеком электролизеров в солнечных водородных системах

для источника питания

удаленных районов (RAPS). Билген [15] изучил экономическую осуществимость

и обнаружил, что производство водорода с фиксированными фотоэлектрическими панелями варьируется от 26 до 42 кг /

кВт / год, а стоимость от 25 до 268 $ / ГДж.

Все существующие методы и проектируемые технологии —

гига производства водорода из солнечной энергии —

намного дороже (более чем в 3 раза)

по сравнению с производством водорода в больших масштабах

на заводах по ископаемому топливу [ 16].Однако

, когда требуются относительно небольшие количества водорода

, электролиз воды на месте может быть на

более экономичным, чем другие методы. Возобновляемые источники энергии

Энергетические водородные системы для RAPS являются потенциальными

ранними нишевыми рынками для водородных технологий с нулевым выбросом

энергетических технологий из-за высокой стоимости

традиционных источников энергии в таких приложениях

[17]. Эта работа направлена ​​на разработку очень простого, дешевого и эффективного щелочного электролизера

с использованием легкодоступных экономичных материалов

для производства водорода в небольшом масштабе

с использованием возобновляемой энергии

путем прямого подключения фотоэлектрической панели.

2. Материалы и методы

2.1 Конструкция и изготовление электролизера

Электролизер был самостоятельно изготовлен в лаборатории ла-

, состоящей из двух коаксиальных труб из ПВХ, которые легко и дешево доступны в магазинах оборудования в

.

рынок. Номинальные диаметры внешних

Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 4 (1), 2009, 11

Copyright © 2009, BCREC, ISSN 1978-2993

Электролизеры 101: что это такое, как они работают и где они вписываются в зеленую экономику

По мере того как Cummins смотрит в будущее, мы видим сдвиг на рынке энергии.С этим изменением появляются новые возможности и возможности, выходящие за рамки нашего традиционного набора продуктов. Чтобы лучше обслуживать наших клиентов и нашу планету, Cummins внедряет инновации в новые устойчивые формы энергии и привносит широкий спектр новых возможностей в портфель продуктов New Power, обеспечивая способ производства чистого водорода для питания водородных топливных элементов, обеспечения промышленных процессов или производить экологически чистые химические вещества, такие как удобрения, возобновляемый природный газ и метанол.

Cummins предлагает различные водородные технологии, включая системы электролизеров, и недавно объявила о поставке своего 5-мегаваттного электролизера PEM для преобразования излишков гидроэнергии в чистый водород для муниципального коммунального округа округа Дуглас в штате Вашингтон (США).Но что такое электролизер, как он работает и какое место он занимает в нашей «зеленой» экономике?

Что такое электролизер и как он работает?

Электролизер — это система, которая использует электричество для разложения воды на водород и кислород в процессе, называемом электролизом. В результате электролиза в системе электролизера образуется газообразный водород. Оставшийся кислород выбрасывается в атмосферу или может улавливаться или храниться для снабжения других промышленных процессов или в некоторых случаях даже медицинских газов.

Газообразный водород может храниться в сжатом или сжиженном виде, и, поскольку водород является энергоносителем, его можно использовать для питания любых электрических систем на водородных топливных элементах — будь то поезда, автобусы, грузовики или центры обработки данных.

В своей основной форме электролизер содержит катод (отрицательный заряд), анод (положительный заряд) и мембрану. Вся система также содержит насосы, вентиляционные отверстия, резервуары для хранения, источник питания, сепаратор и другие компоненты. Электролиз воды — это электрохимическая реакция, протекающая в пакетах ячеек.Электричество подается на анод и катод через протонообменную мембрану (PEM) и заставляет воду (h30) расщепляться на составляющие ее молекулы, водород (h3) и кислород (O2).

Существуют ли электролизеры разных типов?

Да, они различаются по размеру и функциям. Эти электролизеры можно масштабировать для соответствия различным диапазонам ввода и вывода, начиная от небольших промышленных предприятий, установленных в транспортных контейнерах, до крупных централизованных производственных объектов, которые могут доставлять водород на грузовиках или подключаться к трубопроводам.

Существует три основных типа электролизеров: протонообменная мембрана (PEM), щелочной и твердый оксид. Эти разные электролизеры работают по-разному в зависимости от материала электролита. И щелочные электролизеры, и электролизеры PEM могут доставлять водород на месте и по запросу, водород под давлением без компрессора и чистый, сухой и безуглеродный водород чистотой 99,999%.

Разница между тремя основными видами электролизеров включает:

Электролизеры щелочные

• Использует жидкий раствор электролита, такой как гидроксид калия (KOH) или гидроксид натрия (NAOH), и воду.
• Водород производится в «ячейке», состоящей из анода, катода и мембраны. Ячейки обычно собираются последовательно в «стопку ячеек», которая производит больше водорода и кислорода по мере увеличения количества ячеек.
• Когда ток подается на батарею элементов, ионы гидроксида (OH-) перемещаются через электролит от катода к аноду каждой ячейки, при этом пузырьки газообразного водорода образуются на катодной стороне электролизера, а газообразный кислород — на аноде, как представлено здесь.

Электролизеры с протонообменной мембраной (PEM)

• В электролизерах PEM используется протонообменная мембрана, в которой используется твердый полимерный электролит.
• Когда ток подается на батарею элементов, вода расщепляется на водород и кислород, и протоны водорода проходят через мембрану, образуя газ h3 на катодной стороне.

Электролизеры на твердом оксиде (SOEC)

• В качестве электролита используется твердый керамический материал
• Электроны из внешнего контура объединяются с водой на катоде с образованием газообразного водорода и отрицательно заряжают ионы.Затем кислород проходит через скользящую керамическую мембрану и реагирует на аноде с образованием газообразного кислорода и генерации электронов для внешней цепи

SOEC

• работают при гораздо более высоких температурах (выше 500 ° C), чем щелочные электролизеры и электролизеры с PEM (до 80 ° C), и потенциально могут стать намного более эффективными, чем PEM и щелочные электролизеры.

Как коммерциализируются электролизеры на основе производства водорода?

Есть четыре основных способа коммерциализации электролизеров:

1. Энергия для мобильности : Водород можно использовать в качестве топлива на заправочных станциях для электромобилей на топливных элементах, таких как автобусы, поезда и автомобили.
2. Power to Fuel : Используется на нефтеперерабатывающих заводах для удаления серы из ископаемого топлива.
3. Энергия для промышленности : Используется непосредственно в качестве промышленного газа в сталелитейной промышленности, на заводах по производству листового стекла, полупроводниковой промышленности и т. Д. Его также можно впрыскивать непосредственно в сети природного газа для низкоуглеродного нагрева и других применений, связанных с природным газом. .
4. Power to Gas : Используется при производстве экологически чистых химикатов, таких как метанол, удобрения (аммиак) и любое другое жидкое топливо, даже топливо для реактивных двигателей!

Что такого уникального в водородных топливных элементах?

Водород, полученный из электролизера, идеально подходит для использования с водородными топливными элементами.Работая во многом как батарея, топливные элементы не разряжаются и не нуждаются в подзарядке и вырабатывают электричество и тепло, пока есть топливо. Вы можете узнать больше о батареях и топливных элементах здесь. Топливные элементы используют водород для производства электроэнергии с нулевыми выбросами в точке использования. Это означает, что из выхлопной трубы не поступает ископаемое топливо или вредные выбросы.

Еще лучше, когда система электролизера питается от возобновляемого источника энергии, такого как гидроэлектростанция из плотин реки Колумбия, производимый водород считается возобновляемым и не содержит CO2 от скважины к колесу.Узнайте больше о выбросах в атмосферу в полностью электрических системах и на топливных элементах.

Почему водород — такой хороший вариант для чистой энергии?

Водород открывает возможность для массовых рыночных изменений в энергетической отрасли. Энергетические системы по всему миру претерпевают фундаментальную трансформацию, направленную на снижение выбросов и меньшее негативное воздействие на окружающую среду.

Чтобы уменьшить негативное воздействие изменения климата и обезуглерожить сектор энергетики, технологии возобновляемой энергии, такие как энергия ветра и солнца, стали ключевыми составляющими решения.Но интеграция этих прерывистых источников энергии в энергосистему может оказаться сложной задачей.

Водород может выступать в качестве накопителя энергии для решения этих сетевых проблем, позволяя более легко использовать возобновляемую энергию вне электросети. Водород — это стабильный способ хранения и эффективной транспортировки возобновляемой электроэнергии в течение длительных периодов времени. Таким образом, возобновляемая электроэнергия, генерируемая ветром и солнечной энергией, которая не используется сразу, может быть использована в другое время или в другом месте.Потенциал водорода для хранения и транспортировки энергии делает его ключевым фактором глобального перехода к возобновляемым источникам энергии.

Что Cummins делает с электролизерами?

Компания Cummins смело вступила в водородную экономику в сентябре 2019 года, купив Hydrogenics, мирового производителя водородных топливных элементов и электролизеров. Cummins продолжает быстро прогрессировать в разработке новых продуктов и приложений в водородной сфере, и в настоящее время Cummins предлагает два разных типа электролизеров:

1. Электролизер с полимерно-электролитной мембраной HyLYZER® (PEM) использует ионопроводящий твердый полимер и лучше подходит для крупномасштабного производства водорода.
2. Щелочной электролизер HySTAT® использует жидкий электролит и хорошо подходит для производства водорода в малых и средних масштабах.

Cummins гордится тем, что возглавляет новую водородную технологию. Имея вековой опыт работы с множеством источников питания и трансмиссий, мы работаем с нашими клиентами, чтобы предоставить правильное решение для нужного клиента в нужное время. Будь то аккумуляторная батарея, дизельное топливо, природный газ или топливные элементы, ваша энергия — ваш выбор.

Электроника | Бесплатный полнотекстовый | Оптимизированный баланс предприятия для электролизера PEM среднего размера: проектирование, управление и физическая реализация

1. Введение

Понимание энергопотребления меняется в обществе, требующем более устойчивой энергетики, где энергетическая политика осуществляется правительствами и компании создают растущее общественное сознание. В этом смысле возобновляемые источники энергии являются фундаментальной опорой обязательного (т.е., что Земля не может дождаться) перехода энергии от ископаемого топлива к возобновляемым источникам [1]. При этом непосредственность и безопасность ископаемого топлива для обеспечения энергетических потребностей в любой части мира и при любых обстоятельствах должны быть побеждены рациональностью. За исключением очень немногих частей мира, редко когда единственный возобновляемый источник (ветер, солнечный, геотермальный, приливный и т. Д.) Может удовлетворить потребности сообщества. Следовательно, решение состоит в объединении возобновляемых источников энергии в поисках синергии между ними, которая может гарантировать производство и спрос в любое время [2].В этом сценарии водород может сыграть решающую роль. С помощью электролизера (производство водорода) и топливных элементов (производство электроэнергии из водорода), интегрированных в системы, основанные на возобновляемых источниках энергии, потребности в энергии могут быть удовлетворены на круговой зеленой дороге (рис. 1) [3].

Что касается производства водорода, в недавней научной литературе по электролизерам PEM можно найти различные предложения, особенно когда речь идет о приближении к балансу конструкции установки (BoP).

В 2011 году Balaji et al. предложили электролизную установку для портативного применения [4].Результатом стал низкопроизводительный электролизер с 0,08 Нм ³ / ч водорода при потребляемой мощности 382 Вт и КПД 77,48%. Поскольку целью этого дизайна является его мобильность, он имеет значительно сниженный BoP. Система управления водой содержит резервуар, который работает как заправочный резервуар, а также как сепаратор кислорода. В подсистеме производства водорода есть этап сушки, состоящий из двух осушителей силикагеля, которые чередуются с помощью электрических клапанов, прежде чем попасть в резервуар для хранения. Что касается BoP, в системе отсутствует система фильтрации воды, а также система разделения и отвода воды, которая может конденсироваться вместе с производимым водородом.Система на водородной основе с более высокой производительностью представлена ​​в [5] посредством электролизера мощностью 1 кВтэ (термин кВтэ относится к потребляемой электроэнергии) и 0,3 Нм ³ / ч, в котором основное внимание уделяется взаимосвязи между температура и расход для получения КПД системы 65% при 40 ° C. Подсистема воды в БП имеет бак, который включает в себя соответствующую систему охлаждения, впрыскивающий насос и регуляторы потока через ручные клапаны. В подсистеме производства водорода БП есть сепаратор кислорода, который возвращает воду в систему и работает как резервуар для воды.Система также включает в себя два резервуара газового сепаратора, которые действуют как система охлаждения и осушки производимого водорода. Электролизер для прямого подключения к фотоэлектрической энергии изучается в [6]. Исследование направлено на поиск наилучшего соотношения между количеством ячеек и техникой управления на фотоэлектрических панелях для достижения скорости производства водорода 0,48 Нм ³ / ч с 11 элементами и потребляемой мощностью 2,25 кВтэ. В конструкции БП вода поступает непосредственно из бака сепаратора кислорода, который имеет внешнее охлаждение и нагнетательный насос в дымовую трубу.Водород поступает в аккумулятор в качестве единственного компонента перед хранением, который имеет собственное охлаждение и действует как сепаратор давления. Вода, полученная в процессе сушки, не впрыскивается в сепаратор кислорода, а направляется в резервуар для воды, который действует как охлаждение и имеет свою собственную систему фильтрации. Затем перед запуском оборудования необходимо взять воду из этого холодильного бака, и нет возможности для прямого впрыска. Это означает, что вода, которая достигает дымовой трубы, может быть загрязнена, поскольку в ней нет системы деионизатора для воды на входе в дымовую трубу.В поисках передовых разработок с более высокой производительностью водорода Kosonen et al. в [7] приведен электролизер 1 Нм ³ / ч, который потребляет 4,5 кВтэ с КПД около 78%. Система имеет большое количество ячеек (66 ячеек) и довольно упрощенный BoP. Вода поступает непосредственно из местной водопроводной сети и проходит через деионизатор, а производство водорода проходит через сушильную установку, которая снижает температуру до -70 ° C, поскольку система хранит водород в северных странах.Электролизер, представленный в [8], состоит из двух батарей по 48 ячеек в каждой, производящих 5 Нм ³ / ч при 27 кВтэ. Теоретически эффективность оценивается в 99%. Хотя эти две конструкции, основанные на батареях, предполагают высокие скорости производства водорода, для реализации электролизера требуется сложный и громоздкий БП. Электролизная установка с производительностью в несколько десятков Нм ³ представлена ​​в [9]. В данном случае стековая технология основана на элементах, аналогичных электролизеру PEM, предложенному в данной статье.Имея активную площадь 290 см ² , стек из 60 ячеек, он обеспечивает 10 Нм ³ / ч при 46 кВтэ. BoP содержит резервуар сепаратора кислорода, который работает как резервуар для наполнения воды и подачи воды на входе в дымовую трубу. Подача воды обеспечивается насосом вместе с системой фильтрации. Полученный водород проходит через газовый сепаратор. Единая система охлаждения обеспечивает теплообмен для воды и охлаждение водорода, при котором влажность отделяется, и когда она достигает подходящего уровня, она впрыскивается непосредственно в подачу воды в дымовую трубу.В том же рабочем диапазоне Stansberry et al. в [10] разработан еще один электролизер 10 Нм ³ / ч, на 60 кВтэ и общий КПД 56% из-за тяжелой реализации БП (сушильные агрегаты и охладитель). Наконец, более крупный электролизер из ПЭМ, предназначенный для водородных заправочных станций и больших систем хранения энергии, обсуждается в [11]. В этом случае электролизер может производить до 500 Нм ³ / ч при плотности тока 30 кА / м ² . Согласно проанализированным данным БП предложений, найденным в научной литературе, в таблице 1 показано качественное сравнение подсистем и их элементов.Здесь проверяется, как разработанный в этой статье BoP содержит элементы крупномасштабных систем и систем с умеренным потреблением. Таким образом, можно видеть, что предложение BoP улучшает предыдущие решения, добавляя элементы для лучшей фильтрации воды, такие как сепаратор низкого давления (LPS), двухфазная фильтрация и рециркуляционная фильтрация, а также улучшенная осушка водорода, добавление LPS, колебание давления адсорбционный осушитель (PSA) (который не требует потребления, как осушители с адсорбцией с переменной температурой (TSA)), и изменение порядка элементов путем охлаждения перед сепаратором высокого давления (HPS).В дополнение к этому новому предложению, отличительной чертой этого документа является то, что все элементы подробно описаны в следующих разделах, как в технических характеристиках, так и в их точном соединении, что не происходит так точно, как в предыдущих предложениях [4, 5,6,7,8,9,10]. Чтобы четко обозначить новизну данной статьи, в таблице 2 сравниваются разработанные электролизеры в проанализированных работах по их техническим характеристикам с предложенным в нашем исследовании и представленным в этой статье (скорость производства водорода 2.22 Нм ³ / ч, при 10 кВтэ и КПД дымовой трубы от 77% до 91%. Таблица 2 показывает, что предложение авторов обеспечивает среднюю производительность с довольно низким потреблением электроэнергии. Это связано с тем, что конструкция основана на подаче на батарею высокого электрического тока, до 900 А; оптимизация взаимосвязи между производством водорода и электроснабжением. Для достижения этой конструкции используются элементы от более крупных электролизеров, аналогичные [6], состоящие из пакета из 60 элементов размером 290 см ² .Предложенная авторами конструкция требует всего 6 ячеек размером 300 см ² , чтобы обеспечить на 50% более высокую плотность тока, несмотря на то, что активная площадь ячейки аналогична. Плотность тока 3 А / см ² также отличает предложенную конструкцию, поскольку типичная плотность тока, рассмотренная в литературе, колеблется от 1 А / см ² до 2 А / см ² . Это зависит от максимального тока ячейки и активной площади ячейки и ограничивается этими факторами. Что касается давления водорода, разработанный электролизер способен подавать водород до 40 бар без использования компрессора.Как можно видеть, эта способность разработанного электролизера оптимизирует потребление вспомогательных средств, устраняя любые требования к мощности компрессора, что, очевидно, увеличивает общий КПД. Кроме того, существенное различие между предлагаемым БП в отношении обзора литературы заключается в том, что водородное охлаждение размещается прямо на выходе водорода из дымовой трубы. Поэтому в предложении авторов первая ступень газового сепаратора, включенная во все исправленные работы, получает больше конденсированной воды, поэтому осушка водорода более эффективна с ее первой фазы.

Таким образом, новизна предлагаемого электролизера PEM характеризуется производительностью среднего уровня при оптимальном потреблении, высокой плотностью тока с небольшим количеством ячеек, высоким давлением без использования компрессоров и BoP, оптимизирующим охлаждение и сушку водорода. этапы. Полная конструкция предлагаемого БП, а также характеристики батареи и электролизера подробно описаны в следующих разделах.

Эта статья продолжает и значительно расширяет ранее проведенные исследования [12] и способствует внедрению водородной технологии в энергетический сектор промышленности, с разработкой, экспериментированием и реальным внедрением электролизера с протонообменной мембраной среднего размера (PEM) для производства водорода.После проектирования БП разрабатывается исчерпывающая система контроля для проверки рабочих условий, которые позволят электролизеру ПЭМ производить водород безопасным и эффективным способом. Цель этого исследования — найти сбалансированное решение между минимальным BoP и правильной производительностью, всегда в безопасных условиях производства водорода. Кроме того, хотя предыдущие исследования проводились при моделировании и экспериментальном тестировании электролизеров PEM в качестве имитаторов аппаратного обеспечения мощности (PHIL) [13], имитаторов аппаратного обеспечения dSPACE [14], мультифизических симуляторов [15] ], динамических симуляторов на основе MATLAB [16] и математических динамических симуляторов Simulink [17], эта разработка ориентирована на использование программных инструментов, основанных на полностью интегрированной логике автоматизации.Таким образом, он включает в себя схему логического управления, необходимую для безопасной и эффективной работы предприятия, с экспериментальными испытаниями для оценки рабочих параметров, среды мониторинга и тестирования качества. Документ организован следующим образом: Раздел 2 объясняет материалы и методы использованы для разработки исследования, включая описание технологии электролиза PEM: основные особенности и особенности. Далее в разделе 3 предлагается подробное описание конструкции, разработанной логики управления и реализации.Раздел 4 объединяет экспериментальные результаты, обсуждаемые ниже в Разделе 5. Наконец, общие выводы отражены в Разделе 6.

3. Дизайн и реализация BoP

Переходя к блокам рисунка 3, пяти подсистемам, которые составляют BoP и их основные части:

• Подсистема блока питания стека: выпрямитель переменного / постоянного тока, преобразователь постоянного напряжения и преобразователь постоянного тока.

• Подсистема управления водными ресурсами: система циркуляции деионизированной воды (двухфазный фильтр и рециркуляционный фильтр), резервуар для воды на входе, резервуар сепаратора кислорода, впрыскивающий насос, рециркуляционный насос, трубопроводы, клапаны и контрольно-измерительные приборы.

• Подсистема производства водорода: обработка водорода: осушители PSA, сепаратор высокого давления (HPS), трубы сепаратора низкого давления (LPS), а также клапаны и контрольно-измерительные приборы.

• Подсистема охлаждения: пластинчатый теплообменник, сухой охладитель, охлаждающий насос, клапаны и КИПиА.

• Подсистема управления: получает информацию от датчиков и определяет режим работы исполнительных механизмов в соответствии с оптимальными требованиями к работе и безопасности.

Далее разрабатывается решение для проектирования, реализации и управления BoP предлагаемого электролизера PEM в исследовании.

3.1. BoP Design

Подсистемы и их элементы, составляющие BoP, обрисованы в общих чертах на рисунке 4: источник питания стека — зеленым, водная подсистема — синим, водородная подсистема — красным, подсистема охлаждения — оранжевым, а подсистема управления — серым.

3.1.1. Подсистема блока питания блока

Подсистема блока питания блока (обозначена зеленым цветом) отвечает за обеспечение необходимого постоянного тока для запуска процесса электролиза, в результате которого производится водород. Поскольку электролизер работает при высокой мощности и очень высоких токах (до 900 А), необходимы датчики тока (А) и напряжения (В) для постоянного контроля электропитания батареи.Кроме того, включен силовой контактор (PC1), чтобы гарантировать безопасную работу как в производственных ситуациях, так и в случае аварийной остановки.

3.1.2. Подсистема управления водными ресурсами

Подсистема управления водными ресурсами (обозначена синим цветом) начинает набирать воду из резервуара для воды прямого ввода, который имеет низкую проводимость и обеспечивает более длительный срок службы стека. После того, как вода была введена в систему, используется нагнетательный насос (P-001) для обеспечения соответствующего входного потока в систему.После прохождения через впрыскивающий насос вода циркулирует через двухфазный фильтр, что придает ей низкую проводимость. В противном случае стек PEM может быть серьезно поврежден. На первом этапе он получает проводимость Типа II (стандарты ASTM для лабораторного реагента воды (ASTM D1193-91)) (<1 мкСм · см ^-1 ), а на втором этапе уровень проводимости падает до Типа I. значение (<0,056 мкСм ^-1 ).

После стадии фильтрации вода вводится в резервуар сепаратора кислорода, который выполняет тройную функцию: (1) быть буфером с целью регулирования потока воды внутри контура, (2) действовать как сток, который собирает все сточные воды и (3) отделяет кислород от воды.Из бака сепаратора кислорода вода продолжает поступать в фазу регулирования воды и рециркуляции. Циркуляционный насос (P-002) регулирует поток воды после резервуара сепаратора кислорода, а линия датчиков используется контроллером для получения информации обо всех критических параметрах воды, таких как температура (T), давление (P), расход (F) и проводимость (C) перед введением в стопку PEM. Линия рециркуляции предлагается как средство корректировки проводимости воды; в случае, если он выходит за пределы допустимого диапазона.

3.1.3. Подсистема производства водорода

Подсистема производства водорода (выделена красным) должна быть тщательно спроектирована, чтобы гарантировать все параметры безопасности, а также правильную сушку водорода, устраняя влажность, которую он может содержать, отправляя извлеченную воду в резервуар сепаратора кислорода. Для этого на рисунке 4 можно увидеть, что выход стека PEM подключен к HPS. Как только в HPS достигается высокий градиент влажности, это позволяет влажному водороду течь (грязный водород) в LPS.Здесь водород, который может быть смешан с атмосферой, высвобождается, а сточные воды направляются в резервуар сепаратора кислорода. Напротив, сухой водород (чистый водород) из сепаратора высокого давления переходит на стадию сушки. Стадия сушки основана на адсорбции при переменном давлении (PSA), циклическом процессе, в котором для удаления примесей из газа используются слои твердого адсорбента. Выпущенная вода направляется в LPS в соответствии с ранее описанным процессом. Набор сепараторов использует разницу давлений в воде, содержащейся в форме влаги, для осушения водорода.На протяжении всего процесса производства водорода размещается несколько датчиков; они используются для управления параметрами давления (P) и температуры (T) потока водорода на стадиях производства и сушки перед окончательным хранением. В процессе инертизации используются элементы водородной подсистемы; Для того, чтобы продемонстрировать это на Рисунке 4, в дымовую трубу включен вход для азота.

3.1.4. Подсистема охлаждения

Подсистема охлаждения (выделена оранжевым) внутри электролизера состоит из двух теплообменников, используемых в подсистеме управления водой и подсистеме производства водорода.Циркуляционный контур управляется двумя электроклапанами (TCV106 и TCV113 соответственно), по одному на каждую подсистему. Вода для теплообменников охлаждается внешним воздухоохладителем, который имеет собственный насос, чтобы гарантировать поток воды и давление в линии охлаждения.

3.1.5. Подсистема управления

Подсистема управления обрабатывает всю информацию, полученную от датчиков, и на основе заданных пользователем параметров и заданной логики управления автоматически воздействует на исполнительные механизмы, чтобы привести систему в надлежащее рабочее состояние.Управление всеми вышеперечисленными подсистемами осуществляется через подсистему управления.

3.2. Конструкция логики управления электролизером

Система управления, которая будет внедрена в электролизер PEM, должна иметь возможность иметь информацию и действовать соответствующим образом в остальных подсистемах, составляющих BoP: подсистема электропитания батареи, подсистема управления водой, подсистема производства водорода и подсистема охлаждения. Кроме того, он должен включать в себя всю последовательность рабочих состояний и управление предупреждениями и аварийными сигналами, генерируемыми во время работы электролизера.

Чтобы упростить процесс разработки логики управления, все элементы, которые управляют работой электролизера, обозначены номерами в скобках, которые совпадают с их нумерацией на рисунке 4. Для подсистемы питания стека логика управления получает информацию от две основные переменные в контроллере, как показано на рисунке 5. Во-первых, рассматривается рабочее состояние электролизера. Если это состояние, когда для проведения процесса электролиза требуется электрический ток, то силовой контактор (PC1) замыкается, обеспечивая физическое соединение между батареей и источником питания, и сразу после этого активируется источник питания.Во-вторых, измеряются напряжение стека (В) и ток (А). Если их значения выходят за пределы допустимого диапазона работы дымовой трубы (1,5 В. С другой стороны, управление подсистемой управления водными ресурсами показано на Рисунке 6. Он включает три основные части: контроль уровня воды в резервуаре, контроль проводимости воды и контроль за остальные физико-химические параметры воды.Что касается первой части, активация датчика уровня (L) в резервуаре сепаратора кислорода приводит в действие нагнетательный насос (P-001).Когда уровень достаточно высок, насос отключается. В случае слишком сильного понижения уровня, при низком уровне электролизер ФЭМ останавливается.

Что касается части, регулирующей проводимость, проводимость воды регулируется с помощью электроклапана (CCV104B) для включения линии рециркуляции. Когда проводимость низкая, вода подается непосредственно в дымовую трубу без необходимости подвергать воду дополнительной очистке ((CCV104B) закрыто и (CCV104A) открыто). Если до производства проводимость средняя (Тип I <проводимость <Тип II), контур рециркуляции (P-002) будет открыт для рециркуляции воды обратно в фильтр очистки ((CCV104B) открыт и (CCV104A) закрыт) .Если это происходит во время производства, активируется предупреждение. Наконец, если проводимость превышает тип II, электролизер будет остановлен, сработает аварийный сигнал, а через процесс отключения и инертизации (это будет объяснено позже в этом разделе), и сработает аварийный сигнал.

Третья ветвь рисунка 6 касается остальных физико-химических параметров воды, таких как расход, температура и давление, которые измеряются с целью гарантировать, что параметры системы находятся в пределах ее рабочих характеристик; в противном случае система останавливается.Для управления водородной подсистемой, рисунок 7, необходимо учитывать уровень воды как в ТНС, так и в СМЗ. Когда в HPS обнаруживается средний уровень, электроклапан (LCV115) открывается, позволяя накопленной воде проходить в направлении LPS. Когда уровень упадет, клапан снова закроется. В случае обнаружения высокого уровня электролизер останавливается. Контроль уровня воды в LPS работает аналогичным образом, позволяя воде проходить в резервуар сепаратора кислорода (посредством (LCV116), когда накоплено достаточно воды, пока электроклапан (LCV115) закрыт.В процессе электролиза крайне важно избегать прямого контакта между линиями воды и водорода. Если уровень в LPS низкий, клапан (LCV115) закрывается, так как воды для транспортировки недостаточно.

После стадий LPS и HPS стадия сушки PSA следует традиционному трехфазному циклическому процессу во время производства. Это временно определяется открытием и закрытием электроклапанов (CV118 и CV119), которые позволяют потоку водорода к окончательному хранению, накоплению воды и дальнейшей продувке через LPS.В течение всего процесса контролируются температура и давление, поступающие в систему с остановкой, если они выходят за пределы установленного диапазона.

Аналогичным образом логика управления подсистемой охлаждения определяется температурой воды и водорода, рис. 8. Когда они достигают максимального значения, (температура воды. Последовательность, которая объединяет эти отдельные логические схемы управления в рабочие состояния электролизера, показана на рисунке 9.

Согласно всей последовательности, когда установка включена и пользователь правильно зарегистрирован, электролизер запускается в состоянии Инициировано. В этом состоянии система ожидает, пока пользователь вручную активирует состояние инертизации. Он состоит из нагнетания в трубопроводы в течение 2 минут азота, который в качестве инертного газа очищает оставшиеся водородные трубопроводы, воздух или любой другой газ. Если во время инертизации произойдет какой-либо сбой, он вернется в состояние «Инициировано», в противном случае он перейдет в состояние ожидания.В этом состоянии система готова к запуску производственного процесса в соответствии с указаниями пользователя. В случае нахождения в состоянии ожидания более 6 часов, система вернется в состояние «Инициировано». С другой стороны, в состоянии ожидания, если пользователь снова активирует кнопку инертизации, электролизер возвращается к ней.

Когда пользователь нажимает кнопку производства, система переходит в состояние подготовки к производству. В нем проверяются значения параметров водопровода: проводимость, расход, температура и давление.Если они находятся в пределах допустимого диапазона, установка переходит в состояние очистки; напротив, соответствующие аварийные сигналы возвращают систему в состояние ожидания. Система также может вернуться в это состояние, если пользователь нажмет кнопку режима ожидания.

Достигнув точки проверки выполнения операции, начинается состояние очистки. В этом состоянии осуществляется первое производство водорода, которое служит для очистки трубопроводов от азота, ранее использовавшегося на стадии инертизации. Очевидно, что этот водород еще не используется для хранения, поэтому его выбрасывают в атмосферу.Это временный процесс, который длится 2 минуты, когда водородная линия продувается, чтобы удалить весь азот из оборудования. Если пользователь нажимает кнопку режима ожидания, система возвращается в состояние инертизации.

После успешного завершения всех предыдущих состояний достигается состояние «Производство», в котором произведенный водород может храниться на выходе электролизера. Несколько случаев могут произойти из состояния Производство. Таким образом, пользователь может нажать кнопку паузы, чтобы перейти в состояние паузы, когда установка ограничена минимальным производством водорода с использованием минимального постоянного тока.Кроме того, в качестве меры безопасности, если поток производства водорода достигает максимально допустимого давления, система завершает производство и переходит в состояние паузы. Кроме того, пользователь может полностью остановить процесс с помощью кнопки режима ожидания, с помощью которой после выполнения инертизации он перейдет в состояние ожидания. Это также может произойти автоматически, если в любой момент контроллер обнаружит аварийный сигнал на предприятии.

В состоянии паузы можно восстановить состояние производства, просто нажав кнопку производства.Кроме того, после нахождения в состоянии паузы более 30 минут система возвращается в состояние инертизации. Наконец, во всех предыдущих случаях, от состояния подготовки к производству до состояния паузы, если нажата кнопка режима ожидания или обнаружен аварийный сигнал, система возвращается в состояние инертизации.

3.3. Внедрение электролизной установки PEM

После того, как была спроектирована BoP электролизера PEM и определена логика управления, было выполнено физическое внедрение электролизной установки.На рисунке 10а показана подсистема управления водой, а также расположение бака для воды на входе, резервуара сепаратора кислорода, нагнетательных и рециркуляционных насосов, различного фильтрующего оборудования, а также всех датчиков и исполнительных механизмов, которые контролируют эффективную и безопасную работу этой подсистемы. включая электроклапаны, датчики проводимости, давления, расхода, уровня и температуры. На рисунке 10b показана подсистема производства водорода; там можно найти стек вместе с разнообразным оборудованием водородной подсистемы.В этой зоне находятся сепараторы высокого и низкого давления (HPS и LPS), осушитель PSA, а также различные соединительные разъемы для резервуара для хранения водорода и продувки. Наконец, физическая реализация включает подсистемы питания и управления, рисунок 10c. В этой части расположен источник постоянного тока, который подает постоянный ток в стек управляемым образом. В нем также находится модуль контроллера (ПЛК Siemens S7-1200), в котором вся логика управления, определенная ранее, была запрограммирована и смоделирована, а также служит платформой для экспериментальных испытаний, показанных в следующем разделе.Понятно, что пластинчатый теплообменник для воды и водорода как часть подсистемы охлаждения также показан на рис. 10a, b.

5. Обсуждение

На основе результатов, полученных с помощью интерфейса SCADA, на рис. 11, рис. 12, рис. 13, рис. 14 и рис. 15 показано правильное функционирование четырех подсистем, составляющих базовый блок разработанного электролизера PEM. Что касается подсистемы управления водой, разработанная логика управления гарантируется с помощью нагнетательного насоса (P-001), рециркуляционного насоса (P-002) и уровень воды в резервуаре сепаратора кислорода находится в допустимом диапазоне (Рисунок 12). , а также расход воды, температура, давление и проводимость (Рисунок 13) во время производственного процесса.С другой стороны, в отношении подсистемы производства водорода, контроллер отслеживает уровни в сепараторах давления (HPS и LPS) (Рисунок 14), воздействуя на электроклапаны (LCV115 и LCV116), которые сообщаются как с сепараторами, так и с сепаратором кислорода. . Дополнительно интерфейс мониторинга показывает работу подсистемы охлаждения. Затем, когда потоки воды или водорода достигают наивысших допустимых значений температуры, включается подсистема охлаждения (рисунок 15). ВАХ, рисунок 16 подтверждает, что система работает в пределах диапазона тока, указанного для ячеек, и через нее напряжение электролиза получается для выполнения расчетов эффективности батареи.На кривой, которая относится к мощности батареи и скорости производства водорода (Рисунок 17), проверяется максимальная производительность конструкции, а также максимальное потребление, которое близко к ожидаемому. Во второй части экспериментального испытания На рисунке 18 показаны процессы, через которые проходит система во время цикла старт-стоп. В первой фазе начального состояния значения давления составляют около 1 бара. Когда пользователь нажимает кнопку инертизации и начинается состояние инертизации (рис. 18, координата (00:30).Когда система завершает успешную инертизацию (рис. 18, координаты (02:30, 1)), она переходит в состояние ожидания. Когда нажата кнопка производства, оборудование быстро проходит стадию подготовки к производству (рис. 18, координаты (03:10, 3)), так как быстро достигаются адекватные условия в водной подсистеме для запуска процесса электролиза. несколько секунд, и в момент времени 03:30 достигается состояние продувки, в котором давление водорода на выходе из дымовой трубы начинает повышаться до 9 бар (рис. 18, координаты (08:20, 4)).В это время система переходит в состояние производства, и водород поступает на стадию сушки. Из-за открытия электроклапанов (CV118 и CV119), которые сообщают HPS с осушителями PSA, на выходе потока водорода из дымовой трубы возникает небольшой пик перепада давления. На этапе производства оба давления выравниваются (Рисунок 18, время 09:40), и их значения совпадают в течение всего производственного процесса. После достижения максимального установленного давления в 20 бар (рис. 18, координаты (13:30, 4) водород готов к подаче и хранению во внешнем накопительном резервуаре.Можно сделать вывод, что время герметизации составляет 10 мин (13: 30–03: 30) от состояния продувки до состояния производства. Во время производственного процесса можно наблюдать небольшие случайные падения давления, которые возникают из-за стадии сушки PSA. Осушители накапливают влажный водород на последней стадии и периодически удаляют его наружу. Поскольку это процесс под давлением, без использования термических элементов, небольшая часть (1,6 бар) давления производимого водорода используется для удаления влаги, что является причиной мгновенных падений давления.Чтобы выполнить управляемое отключение установки, пользователь нажимает кнопку режима ожидания, и она останавливается в состоянии инертизации (Рис. 18, координаты (18:25, 5)), чтобы удалить водород из трубопроводов с использованием азота. Этот процесс состоит из двух этапов: во-первых, давление сбрасывается на выходе из дымовой трубы, а во-вторых, давление сбрасывается в выходном трубопроводе для водорода. После завершения инертизации электролизер PEM остается в состоянии ожидания (Рис. 18, координаты (20:20, 1)), давление водорода сброшено и он готов к повторному запуску процесса или, наоборот, к отключению.Аналогично давлению потока водорода Рисунок 19 позволяет отслеживать температуру воды и потока водорода. Начальная температура в состоянии инициирования составляет 22 ° C, что соответствует температуре окружающей среды. В состоянии инертизации наблюдается небольшое падение температуры охлажденного водорода (рис. 19, координата (01:50, 1)), это связано с работой подсистемы охлаждения. Поскольку температура потока водорода на выходе из дымовой трубы находится в допустимом диапазоне, охлаждение отключается, и значение температуры снова стабилизируется.Во время состояния продувки значения температуры воды и водорода плавно повышаются до состояния производства (рис. 19, координаты (08:20, 4)), где наклон температурной кривой начинает увеличиваться. В момент 10:50 контроллер получает предупреждение о том, что необходимо снизить температуру потоков водорода, и активирует подсистему охлаждения. Затем температура потока водорода после фазы охлаждения снижается, пока не стабилизируется до 15 ° C. С этого момента разработанная логика управления гарантирует, что подсистема охлаждения поддерживает температуру водорода на уровне 15 ° C в течение всего периода производственного состояния.Когда пользователь нажимает кнопку режима ожидания, состояние производства завершается (рис. 19, координаты (18:25, 4)), и система переходит в состояние инертизации. Вследствие выключения системы температуры воды и потока водорода устанавливаются равными температуре окружающей среды, а подсистема охлаждения отключается. Наконец, в таблице 6 представлена ​​сводка основных характеристик разработанного электролизера на основе ПЭМ.

6. Выводы

В этой статье описана конструкция, реализация и практические эксперименты электролизера PEM среднего размера для производства водорода под давлением из воды и электроэнергии (возобновляемой, если возможно, как в нашем случае).В коммерческом стеке ключом к достижению его наилучшей производительности была оптимальная конструкция BoP с уделением особого внимания подсистемам, которые его составляют: подсистема электропитания стека, подсистема управления водными ресурсами, подсистема производства водорода, подсистема охлаждения и подсистема управления. . Исходя из этого, логика управления была разработана в соответствии с критериями обеспечения эффективной и безопасной работы. Для этого каждой подсистеме требуется собственная логика управления в соответствии с технической спецификацией предприятия.Кроме того, логика управления четырьмя подсистемами была интегрирована в последовательность рабочих состояний, которая управляет работой электролизера.

Полученные экспериментальные результаты подтверждают правильность логики управления в различных рабочих случаях, включая предупреждения и отказы. Кроме того, экспериментальные результаты показывают правильную работу во всех состояниях установки. Чтобы проверить их, было проанализировано изменение давления и температуры потока водорода, а также температуры воды. Сравнивая разработанный электролизер с электролизером, представленным в научной литературе, первый характеризуется высоким КПД батареи (> 77%) и малым временем герметизации (10 мин) без внешнего компрессора.Эта функция увеличивает общую эффективность, уменьшая потребление от вспомогательных устройств. С другой стороны, плотность тока 3 А / см ² также отличает предложенную конструкцию, поскольку типичная плотность тока, рассмотренная в литературе, составляет от 1 до 2 А / см ² ; это позволяет достичь высоких показателей производства водорода при низком напряжении ячейки. Последним усовершенствованием предложенного БП с точки зрения обзора литературы является водородное охлаждение, размещенное на выходе водорода из дымовой трубы.Следовательно, первая ступень газового сепаратора (HPS) получает больше конденсированной воды, поэтому сушка водорода более эффективна, начиная с ее первой фазы.

В заключение, доказана мощность разработанной электролизной установки ПЭМ по производительности, широкому диапазону рабочих мощностей, уменьшенному времени герметизации и высокой эффективности.

Разделение солнечной воды с помощью фотоэлектрического электролиза с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород более 30%

Электролизер | Ключевой фактор в производстве зеленого водорода

Электролиз на первый взгляд может показаться школьным лабораторным экспериментом с химическими стаканами, несколькими проводами и парой батареек, и мы не ошибемся.Но влияние этого процесса, который позволяет расщеплять молекулы с помощью электричества, в данном случае молекулы воды, является ключом к получению зеленого водорода.

ГЕНЕРАЦИЯ ВОДОРОДА

Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной и поэтому может стать идеальным топливом. Но это не единственная причина: при сжигании водорода углекислый газ не образуется; вместо этого образуется водяной пар. Таким образом, его использование резко сократит выбросы, вызывающие парниковый эффект и глобальное потепление.

Трудность заключается в том, что для получения водорода необходима электрическая энергия, и если эта энергия поступает из ископаемого топлива, будут возникать выбросы. Напротив, производство так называемого зеленого водорода основано на использовании возобновляемых источников энергии для обеспечения процесса электролиза, посредством которого водород получают из воды. Устройство, отвечающее за этот процесс, называется электролизером.

Применение зеленого водорода.

СМОТРЕТЬ ИНФОРМАЦИЮ: Применение зеленого водорода [PDF]

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРОЛИЗАТОР И КАК ЭТО РАБОТАЕТ: ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролизер — это устройство, способное расщеплять молекулы воды на составляющие их атомы кислорода и водорода. Связи между двумя элементами очень стабильны, и для этого расщепления требуется электрическая энергия в процессе, называемом электролизом [PDF]. Эффективные электролизеры станут ключом к проникновению водорода в промышленность и внедрению водородных топливных элементов.

Один из крупнейших в мире электролизеров расположен в Фукусиме, Япония, на месте хорошо известной ядерной катастрофы, символизирует смену парадигмы в производстве энергии , поскольку он питается от солнечных батарей.Совсем недавно, в январе 2021 года, японский электролизер намного превзошел электролизер в Беканкуре, Канада, который состоит из устройства с полимерной мембраной производительностью 8,2 тонны в день.

Как работает электролизер

Электролиз был впервые открыт в 1800 году. После изобретения в том же году Алессандро Вольта электрической батареи другие химики пытались соединить свои полюса в емкости с водой. Они обнаружили, что через воду протекает ток, а водород и кислород отделяются на электродах.

Электролизер состоит из пакета токопроводящих электродов, разделенных мембраной, на которую подается высокое напряжение и ток. Это вызывает электрический ток в воде, который заставляет ее распадаться на составляющие: водород и кислород. Полная система также включает насосы, силовую электронику, газоотделитель и другие вспомогательные компоненты, такие как резервуары для хранения.

Кислород, образующийся параллельно, выбрасывается в атмосферу или в некоторых случаях может храниться для дальнейшего использования в качестве медицинского или промышленного газа. Водород хранится в виде сжатого газа или сжиженного газа для использования в промышленности или в водородных топливных элементах, которые могут приводить в действие транспортные средства, такие как поезда, корабли и даже самолеты.

ВИДЫ ЭЛЕКТРОЛИЗАТОРОВ

В настоящее время существуют разные типы электролизеров в зависимости от их размера и функции. Чаще всего используются:

Щелочной электролизер

В них используется раствор жидкого электролита, например гидроксид калия или гидроксид натрия, и вода. Водород производится в ячейке, состоящей из анода, катода и мембраны. Элементы обычно собираются последовательно для одновременного производства большего количества водорода и кислорода. Когда ток подается на батарею электролизных ячеек, гидроксид-ионы перемещаются через электролит от катода к аноду каждой ячейки, образуя пузырьки газообразного водорода на катодной стороне электролизера и газообразного кислорода на аноде. Они используются более 100 лет и не требуют использования благородных металлов в качестве катализатора; однако это громоздкое оборудование, получающее водород средней чистоты, и не очень гибкое в эксплуатации.

Электролизер с протонообменной мембраной (PEM)

Электролизеры PEM используют протонообменную мембрану и твердый полимерный электролит. Когда к батарее подается ток, вода расщепляется на водород и кислород, и протоны водорода проходят через мембрану, образуя газообразный водород на катодной стороне. Они наиболее популярны, поскольку производят водород высокой чистоты и легко охлаждаются. Они лучше всего подходят для разнообразия возобновляемых источников энергии, компактны и производят водород высокой чистоты.С другой стороны, они несколько дороже, потому что в качестве катализаторов используются драгоценные металлы.

Твердооксидный электролизер (SOEC)

SOEC работают при более высоких температурах (от 500 до 850 ºC) и потенциально могут быть намного более эффективными, чем PEM и щелочные электролизеры. Этот процесс называется высокотемпературным электролизом (HTE) или паровым электролизом, и в качестве электролита используется твердый керамический материал. Электроны из внешнего контура объединяются с водой на катоде с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов.Затем кислород проходит через скользящую керамическую мембрану и реагирует на аноде с образованием газообразного кислорода и генерации электронов для внешнего контура. Технологически они менее развиты, чем вышеперечисленные.

Существуют и другие типы электролизеров, которые еще не так эффективны или рентабельны, как указанные выше, но имеют большой потенциал для развития. Одним из примеров является фотоэлектролиз, при котором использует только солнечный свет для разделения молекул воды без потребности в электричестве. Однако для этого устройства требуются полупроводники, которые еще недостаточно разработаны.

8. Технологии производства водорода | Водородная экономика: возможности, затраты, препятствия и потребности в исследованиях и разработках

часов потребления за счет использования накопленного водорода для выработки дополнительной энергии; этот водород может генерироваться в непиковые часы.

Технологические опции

Современные технологии электролиза делятся на две основные категории: (1) твердый полимер с использованием протонообменной мембраны (PEM) и (2) жидкий электролит, чаще всего гидроксид калия (KOH).В обеих технологиях вода вводится в реакционную среду и подвергается воздействию электрического тока, вызывающего диссоциацию, после чего образующиеся атомы водорода и кислорода пропускаются через механизм ионного переноса, который заставляет водород и кислород накапливаться в отдельных физических потоках.

Электролизер PEM — это буквально топливный элемент PEM, работающий в обратном режиме. Когда вода вводится в ячейку электролизера PEM, ионы водорода (протоны) втягиваются в мембрану и проходят через нее, где они рекомбинируют с электронами с образованием молекул водорода.Газообразный кислород остается в воде. Поскольку эта вода рециркулирует, кислород накапливается в резервуаре для разделения и затем может быть удален из системы. Газообразный водород отдельно отводится от батареи ячеек и улавливается.

В системах с жидким электролитом обычно используется щелочной раствор для выполнения функций, аналогичных функциям электролизера PEM. В таких системах ионы кислорода мигрируют через электролитический материал, оставляя газообразный водород растворенным в потоке воды. Этот водород легко извлекается из воды, когда его направляют в разделительную камеру.

Полная стоимость водорода из систем PEM и KOH сегодня примерно сопоставима. Эффективность реакции обычно выше для систем КОН, потому что ионное сопротивление жидкого электролита ниже, чем сопротивление нынешних мембран PEM. Но преимущество систем КОН по эффективности реакции по сравнению с системами ПЭМ нивелируется более высокими требованиями к очистке и сжатию, особенно в малых масштабах (от 1 до 5 кг в час). Более подробная информация представлена ​​в Приложении G.

Электролиз может особенно хорошо подходить для удовлетворения потребностей в топливе на ранних этапах рынка транспортных средств на топливных элементах. Электролизеры достаточно хорошо масштабируются; эффективность реакции электролиза не зависит от размера задействованных ячеек или стопок ячеек. Компактный размер электролизеров делает их пригодными для размещения на существующих заправочных станциях или рядом с ними, и они могут использовать существующую инфраструктуру воды и электричества, сводя к минимуму потребность в новой инфраструктуре.

Будущее усовершенствование технологии электролиза

Целью Министерства энергетики США для электролиза является капитальные затраты в размере 300 долларов США / кВт для установки мощностью 250 кг / день (при 5000 фунтов на квадратный дюйм [фунт / кв. Дюйм] с КПД системы 73%, базис более низкой теплотворной способности [DOE, 2003b, стр. 3- 15]). Такую установку можно было бы интегрировать с возобновляемым источником энергии для производства водорода по цене 2,50 доллара за кг к 2010 году. Тогда большая центральная станция могла бы производить водород по цене 2,00 доллара за кг (DOE, 2003b, стр.3-16). Программа исследований Министерства энергетики США фокусируется на способах снижения затрат, повышения эффективности и интеграции электролизных установок с возобновляемыми источниками электроэнергии. Министерство энергетики также продолжает разработку материалов для обратимых твердооксидных электролизеров, которые могут работать при более высоких температурах, чем PEM, и с потенциально очень высокой эффективностью. Министерство энергетики сообщило, что его бюджетный запрос на 2004 финансовый год включал приблизительно 3,2 миллиона долларов на исследования электролиза в водород. ^{5 , 6}

Комитет считает правдоподобным, что капитальные затраты на электролизеры PEM могут упасть в восемь раз — с 1000 долларов США / кВт в ближайшем будущем до 125 долларов США / кВт в течение следующих 15-20 лет, в зависимости от аналогичного снижения затрат, происходящего в топливных элементах PEM.Если капитальные затраты снизятся до этого уровня, по оценке комитета, водород можно будет производить примерно по 4 доллара за кг с использованием электроэнергии из сети и электролиза, что делает его привлекательным в переходный период 2010–2030 годов, пока не будут построены централизованные объекты и необходимая система распределения. Многолетний план исследований, разработок и демонстраций Министерства энергетики США (DOE, 2003b) включает технический план по топливным элементам, в котором рассматриваются технологические и ценовые барьеры — барьеры, которые, если их преодолеть, пойдут на пользу и электролизерам.Элементы плана топливных элементов включают, например: разработку высокотемпературных мембран для топливных элементов PEM, разработку более дешевых полимерных мембран, имеющих более высокую ионную проводимость, и разработку альтернативных рецептур и структур катализаторов.

Кроме того, эффективность системы электролизера может вырасти с нынешних 63,5 процентов до 75 процентов (более низкая теплотворная способность) в будущем. Среди приоритетов исследований, которые могут повысить эффективность и / или снизить стоимость будущих электролизных заправочных устройств и которые могут стать частью программы электролиза Министерства энергетики, следующие:

1. Снижение других (паразитных) потерь энергии в системе. Различные паразитные нагрузки, такие как регулирование мощности, могут быть уменьшены за счет изменения конструкции и оптимизации системы.

2. Уменьшение плотности тока. Эффективность преобразования зависит от плотности электрического тока, поэтому замещение большего количества электролита или большей площади поверхности элемента приводит к снижению общих требований к мощности на единицу производимого водорода.

3. Разработка гибридов электролиза / окисления .Гибридная концепция использует окисление природного газа как средство усиления миграции ионов кислорода через электролит и, таким образом, снижения эффективного количества электроэнергии, необходимой для переноса иона кислорода. Концепт

EC требует 6 ГВт электролизеров для зеленого водорода в ЕС к 2024 году

Особенности

Хочет увеличить производство зеленого водорода до 1 миллиона тонн к 2024 году

Видит, что к 2030 году необходимо добавить до 120 ГВт солнечной и ветровой энергии

Видит необходимость поддержки CCS, голубой водород в среднесрочной перспективе

Брюссель —
Европейская комиссия хочет, чтобы ЕС установил не менее 6 ГВт электролизеров, способных производить до 1 миллиона тонн возобновляемого водорода к 2024 году, говорится в стратегии ЕС по водороду, опубликованной 8 июля.

Не зарегистрирован?

Получайте ежедневные оповещения по электронной почте, заметки для подписчиков и персонализируйте свой опыт.

Зарегистрируйтесь сейчас

ЕС рассматривает возобновляемый водород как ключевой вклад в усилия ЕС по достижению климатической нейтральности к 2050 году, что означает декарбонизацию его энергетического сектора и постепенный отказ от ископаемого топлива.

Европа имеет установленную мощность электролизеров менее 1 ГВт / год и еще около 1 ГВт / год.5-2,3 ГВт запланированных проектов.

Это означает, что ЕС потребуется как минимум утроить свою запланированную мощность в течение следующих четырех лет, чтобы достичь цели в 6 ГВт.

Стратегия включает долгосрочную цель — установить к 2030 году в ЕС не менее 40 ГВт электролизеров, производящих до 10 миллионов тонн возобновляемого водорода.

Для этого может потребоваться до 42 миллиардов евро (47 миллиардов долларов) инвестиций в электролизеры к 2030 году, сообщила ЕК.

Он хочет, чтобы промышленность ЕС построила более крупные электролизеры — до 100 МВт — к 2024 году и установила их рядом с существующими центрами спроса на крупных нефтеперерабатывающих заводах, металлургических заводах и химических комплексах, в идеале с питанием от местной возобновляемой электроэнергии.

Для контекста, сегодня одним из крупнейших промышленных электролизеров в ЕС является проект Refhyne мощностью 10 МВт на нефтеперерабатывающем заводе Shell в Рейнланде в Германии.

Британская водородная компания ITM установила и начала испытания на месте пяти электролизеров PEM мощностью 2 МВт, но запланированный старт на 2020 год может быть отложен из-за ограничений на коронавирус, сообщалось в июне.

Больше солнечной энергии, ветра, CCS

ЕС, возможно, потребуется инвестировать до 340 миллиардов евро к 2030 году, добавив и подключив до 120 ГВт солнечной и ветровой мощности к электролизерам для производства возобновляемого водорода, сообщила ЕК.

Кроме того, к 2030 году потребуется около 11 миллиардов евро для модернизации половины существующих в ЕС заводов по производству водорода на ископаемом топливе с использованием технологий улавливания и хранения углерода.

Еще 65 миллиардов евро могут потребоваться для транспортировки, распределения и хранения водорода, а также для заправки водородом транспортных средств.

Европейская комиссия заявила, что адаптация секторов конечного потребления к использованию водорода также потребует инвестиций. По ее оценкам, перевод типичного сталелитейного завода в ЕС в конце срока его службы на водород обходится в 200 миллионов евро.

Установка дополнительных 400 малых водородных заправочных станций вместо 100 для автомобильного транспорта может стоить до 1 миллиарда евро.

Конкурентоспособные к 2030 году

В период с 2025 по 30 гг. ЕС считает, что возобновляемый водород станет конкурентоспособным по стоимости по сравнению с другими формами производства водорода, поскольку спрос расширяется и включает сталелитейный и транспортный секторы.

Возобновляемый водород начнет играть роль в балансировании электроэнергетической системы, основанной на возобновляемых источниках энергии, путем преобразования избыточной энергии в водород и обеспечения гибкости.

На этом этапе ЕС начнет нуждаться в инфраструктуре для транспортировки водорода, возможно, через границы, а также для его хранения, сообщила ЕК.

Существующая газовая сеть ЕС может быть частично перепрофилирована для этого.

ЕС также видит потенциальную международную торговлю, особенно с соседями в Восточной Европе и южном Средиземноморье.

Увеличение спроса

ЕС рекомендует заменить почти 10 миллионов тонн существующего высокоуглеродистого водорода, который ЕС использует на нефтеперерабатывающих заводах, производстве аммиака и метанола, на версии с более низким содержанием углерода в качестве первого шага в создании промышленного спроса.

Следующим шагом будет частичная замена ископаемого топлива, используемого в производстве стали, водородом.

В области транспорта, ЕС считает, что водород в первую очередь используется в городских автобусах или поездах, где заправочные станции могут поставляться региональными или местными электролизерами.

Водород можно также постепенно внедрять в другие тяжелые автотранспортные средства, железнодорожные линии, которые сложно электрифицировать, судоходство и авиацию.

Европейская комиссия заявила, что рассмотрит варианты поддержки спроса на возобновляемый водород, например, путем установления квот для определенных секторов конечного использования или минимальной доли в структуре энергопотребления.

Поддержка связана с углеродным следом

Европейская комиссия заявила, что предложит общий порог / стандарт ЕС по низкому уровню выбросов углерода для продвижения заводов по производству водорода на основе их выбросов парниковых газов в течение всего жизненного цикла.

Этот порог следует использовать, чтобы решить, на что направить государственное финансирование и поддержку, чтобы помочь запустить производство водорода с низким содержанием углерода.

ЕС также предложит «исчерпывающую терминологию и общеевропейские критерии» для сертификации возобновляемого водорода, чтобы обеспечить целевую поддержку производства.

Возможные меры поддержки включают углеродные контракты на разницу, в которых разработчикам водородных проектов будет выплачиваться разница между ценой на углерод в ЕС и фактической стоимостью сокращения выбросов.

Один из высокопоставленных источников в ЕС сказал, что низкоуглеродистый водород на основе природного газа с улавливанием и хранением углерода или пиролизом также будет иметь право на государственное финансирование во время неопределенной переходной фазы.

Это будет необходимо для сокращения выбросов от существующего использования высокоуглеродистого водорода при одновременном наращивании мощностей по возобновляемым водородам, сказал источник.

Новое законодательство в 2021 году

Стратегия не имеет обязательной юридической силы, но позволяет директивным органам ЕС обсуждать предложения.