Получение водорода из воды

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 (м3/ч).

Промышленная стационарная электролизная установка, вырабатывающая 40 м3 водорода в час (СЭУ-40)

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:

  1. Уровень напряжения (минимального электродного потенциала), оно должно быть от 1,8 до 2 вольт, меньшее значение «не запустит» процесс, а большее приводит к чрезмерному расходу энергии, идущей на нагрев электролита. Если в качестве источника используется блок питания, например, на 14 вольт имеет смысл разделить емкость ванны пластинами на 7 ячеек, в соответствии с рисунком 2. Рис 2. Расположение пластин в ванне электролизера

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).

А) Установка прямого электролиза воды (УПЭВ); Б) анализатор качества воды 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.

Перспективы водорода как топлива для котла отопления

  • Водород – это самое распространенное «топливо» во Вселенной и десятый по распространению химический элемент на Земле. Проще говоря – проблем с запасами топлива у вас не будет.
  • Этот газ не может навредить ни людям, ни животным, ни растениям – он не токсичен.
  • «Выхлоп» водородного котла абсолютно безвреден – продуктом горения этого газа является обычная вода.
  • Температура горения водорода достигает 6000 градусов Цельсия, что говорит о высокой теплоемкости этого вида топлива.
  • Водород легче воздуха в 14 раз, то есть при утечке «выброс» топлива улетучится из котельной сам по себе, причем в очень сжатые сроки.
  • Стоимость одного килограмма водорода – 2-7 долларов США. При этом плотность газообразного водорода равна 0,008987 кг/м3.
  • Теплотворная способность кубического метра водорода – 13 000 кДж. Энергоемкость природного газа в три раза выше, но себестоимость водорода как топлива ниже в десятки раз. В итоге альтернативное отопление частного дома водородом обойдется не дороже практики использования природного газа. При этом владельцу водородного котла не нужно оплачивать аппетиты хозяев газовых компаний и строить дорогостоящий газопровод, а равно и проходить чрезвычайно бюрократизированную процедуру согласования всяческих «проектов» и «разрешений».

Словом, как топливо водород имеет самые радужные перспективы, которые уже оценила аэрокосмическая отрасль, использующая водород для «заправки» ракет.

Современная разработка — водородный отопительный котел

Как работает котел отопления на водороде

Точно так же, как и обычный газовый котел:

  • Топливо подается на горелку.
  • Факел горелки разогревает теплообменник.
  • Залитый в теплообменник теплоноситель транспортируют к батареям.

Только вместо магистрального газопровода или емкостей со сжиженным горючим для производства топлива необходимо использовать особые установки – генераторы водорода.

Причем самый распространенный вид бытового генератора – это электролитическая установка, расщепляющая воду на водород и кислород. Себестоимость топлива, которое производят электрические генераторы для отопления водородом доходит до 6-7 долларов за килограмм. При этом для производства кубического метра горючего газа необходима вода и 1,2 кВт электроэнергии.

А вот на отводе продуктов горения в данном случае можно сэкономить. Ведь в процессе горения смеси кислорода и воздуха выделяется только водяной пар. Так что «настоящий» дымоход такому котлу не нужен.

Плюсы водородных котлов

  • Водородом можно «топить» любые котлы. То есть абсолютно любые – даже старые «советские» агрегаты, приобретенные в 80-х годах прошлого века. Для этого вам понадобится новая горелка и гранит или шамотный камень в топке, увеличивающий тепловую инерцию и нивелирующий эффект перегрева котла.
  • У водородных котлов увеличенная тепловая мощность. Стандартный газовый котел на 10-12 кВт на водороде «выдаст» до 30-40 киловатт тепловой мощности.
  • Для отопления водородом по большому счету нужна только горелка. Поэтому «под водород» можно переделать даже твердотопливный котел, инсталлировав горелку в топку.
  • Базу для получения топлива – воду – можно извлечь из водопроводного крана. Хотя идеальным полуфабрикатом для производства водорода является дистиллированная вода, в которую подмешен гидроксид натрия.

Минусы водородных котлов

  • Малый ассортимент водородных котлов и газогенераторов промышленного типа. Большинство продавцов предлагают «самоделки» с сомнительной сертификацией.
  • Высокая цена промышленных моделей.
  • Взрывоопасный «характер» топлива – в смеси с кислородом (в пропорции 2:5) водород превращается в гремучий газ.
  • Высокий уровень шума газогенерирующих установок.
  • Высокая температура пламени – до 3200 градусов Цельсия, затрудняющая использование водорода в качестве топлива для кухонной печи (нужны особые рассекатели). Впрочем, H2ydroGEM — котел отопления на водороде итальянского производства giacomini – укомплектован горелкой температурой пламени до 300 градусов Цельсия.

Добыча водорода в условиях домашнего хозяйства

Выбор электролизера

Для получения элемента дома необходим специальный аппарат – электролизер. Вариантов такого оборудования на рынке много, аппараты предлагают как известные технологические корпорации, так и мелкие производители. Брендовые агрегаты дороже, но качество их сборки выше.

Домашний прибор отличается малыми габаритами и легкостью в эксплуатации. Основными деталями его являются:

Электролизер — что это

  • риформер;
  • система очистки;
  • топливные элементы;
  • компрессорное оборудование;
  • емкость для хранения водорода.

В качестве сырья берется простая вода из-под крана, а электричество идет из обычной розетки. Сэкономить на электроэнергии позволяют агрегаты на солнечных батареях.

«Домашний» водород применяют в системах отопления или приготовления пищи. А также им обогащают бензовоздушную смесь, чтобы повысить мощность двигателей автомобиля.

Изготовление аппарата своими руками

Еще дешевле сделать прибор самому в домашних условиях. Сухой электролизер выглядит как герметичный контейнер, который представляет собой две электродные пластины в емкости с электролитическим раствором. Во Всемирной сети предлагаются разнообразные схемы сборки аппаратов разных моделей:

  • с двумя фильтрами;
  • с верхним либо нижним расположением контейнера;
  • с двумя или тремя клапанами;
  • с оцинкованной платой;
  • на электродах.

Схема устройства электролиза

Простой прибор для получения водорода создать несложно. Для него потребуются:

  • листовая нержавеющая сталь;
  • прозрачная трубка;
  • штуцеры;
  • пластиковая емкость (1,5 л);
  • водяной фильтр и обратный клапан.

Устройство простого прибора для получения водорода

Помимо этого, нужны будут различные метизы: гайки, шайбы, болты. Первым делом нужно распилить лист на 16 квадратных отсеков, у каждого из них спилить угол. В противоположном от него углу требуется высверлить отверстие для болтового крепления пластин. Для обеспечения постоянного тока пластины нужно подключать по схеме: плюс–минус–плюс–минус. Изолируют эти детали друг от друга с помощью трубки, а на соединении болтом и шайбами (по три штуки между пластинками). На плюс и минус насаживают по 8 пластин.

При правильной сборке ребра пластинок не будут задевать электроды. Собранные детали опускают в емкость из пластика. В месте касания стенок болтами делают два установочных отверстия. Устанавливают защитный клапан для удаления избытка газа. В крышку контейнера монтируют штуцеры и герметизируют швы силиконом.

Тестирование аппарата

Чтобы протестировать аппарат, выполняют несколько действий:

Схема получения водорода

  1. Наполняют жидкостью.
  2. Прикрыв крышкой, соединяют один конец трубки со штуцером.
  3. Второй опускают в воду.
  4. Подключают к источнику питания.

После включения прибора в розетку через несколько секунд будет заметен процесс электролиза и выпадение осадка.

Чистая вода не обладает хорошей электропроводностью. Для улучшения этого показателя нужно создать электролитический раствор, добавив щелочь – гидроксид натрия. Он есть в составах для очищения труб наподобие «Крота».

Несколько дельных советов

Далее поговорим о других составляющих водородной горелки – фильтре для стиралки и клапане. Оба предназначаются для защиты. Клапан не позволит загоревшемуся водороду проникнуть обратно в конструкцию и взорвать скопившийся под крышкой электролизера газ (пусть его там и немного). Если не установим клапан, то контейнер повредится и щелочь вытечет наружу.

Фильтр же потребуется для изготовления водяного затвора, который будет играть роль барьера, предотвращающего взрыв. Народные умельцы, не понаслышке знакомые с конструкцией самодельной горелки на водороде, называют этот затвор «бульбулятором». И правда, он по сути лишь создает пузырьки воздуха в воде. Для самой горелки используем все тот же прозрачный шланг. Все, водородная горелка готова!

Остается лишь подсоединить ее к входу системы «теплый пол», герметизировать соединение и начать непосредственно эксплуатацию.

Бытовое применение

В быту также есть применение водороду. В первую очередь это автономные отопительные системы. Но здесь некоторые особенности. Установки по производству чистого водорода стоят значительно дороже, чем генераторы газа Брауна, последние даже можно собрать самостоятельно. Но при организации отопления дома необходимо учитывать, что температура горения газа Брауна значительно выше, чем у метана, поэтому потребуется специальный котел, который несколько дороже обычного.

В интернете можно встретить немало статей, в которых написано, что для гремучего газа можно использовать обычные котлы, это делать категорически нельзя. В лучшем случае они быстро выйдут из строя, а в худшем могут стать причиной печальных или даже трагических последствий. Для смеси Брауна предусмотрены специальные конструкции с более термостойким соплом.

Необходимо заметить, что рентабельность отопительных систем на основе водородных генераторов вызывает большое сомнение ввиду низкого КПД. В таких системах имеются двойные потери, во-первых, в процессе генерации газа, во-вторых, при нагреве воды в котле. Дешевле для отопления сразу нагревать воду в электрическом бойлере.

Не менее спорная реализация для бытового использования, при которой газом Брауна обогащают бензин в топливной системе двигателя автомобиля с целью экономии.

Обозначения:

  • а – генератор ННО (принятое обозначение для газа Брауна);
  • b – отвод газа в камеру сушки;
  • с – отсек для удаления водяных паров;
  • d – возвращение конденсата в генератор;
  • е – подача осушенного газа в воздушный фильтр топливной системы;
  • f – автомобильный двигатель;
  • g – подключение к аккумулятору и электрогенератору.

Нужно заметить, что в некоторых случаях такая система даже работает (если ее собрать правильно). Но точные параметры, коэффициент прироста мощности, процент экономии вы не найдете. Эти данные сильно размыты, и достоверность их вызывает сомнения. Опять же не ясен вопрос, насколько уменьшится ресурс двигателя.

Но спрос порождает предложения, в интернетах можно найти подробные чертежи таких приспособлений и инструкцию по их подключению. Есть и готовые модели, сделанные в стране Восходящего Солнца.

Схема работы водородного котла и преимущества такого способа отопления

Способ отопления жилища при помощи водородного котла был придуман относительно недавно в Италии (а автомобильный двигатель на водороде, кстати, ещё в 1960-х годах). Раньше учёные тоже задумывались над использованием водорода в качестве «домашнего» топлива, однако, была одна проблема: сделать котёл из привычных материалов не получалось из-за очень высокой температуры горения этого газа.

Теперь же ситуация изменилась: водородные котлы делают из таких же материалов, как и все остальные. Отзывы о них преимущественно положительные, их можно найти, зайдя на любой тематический форум.

Если кто-то услышит выражение «газ Брауна», то здесь волноваться не стоит: речь идёт не об иприте или смеси для активации ядерного заряда. Это смесь водорода и кислорода, которая должна активизироваться при помощи кислородно-водородного электролиза (в устройстве вставлен электролизёр). Большинство установок работает именно на этом газу.

Процесс получения водорода с помощью электролиза

Процесс отопления предельно прост: в специальной установке (котле) есть резервуар с водородом. При температуре в 300C° газ начинает взаимодействовать с кислородом, образуя воду и пар, которые и распределяется по системе трубопроводов внутри жилых домов.

Из преимуществ такого вида отопления можно выделить следующие:

  • водород попросту не имеет продуктов горения за исключением воды (конденсируемая вода попадает в отопительный трубопровод — никаких дымоходов держать не придётся);
  • абсолютная экологическая безопасность;
  • водород не воспламеняется, а отдаёт большое количество тепловой энергии при взаимодействии с кислородом (в результате этой каталитической реакции и образуется вода);
  • фактическая температура теплоносителя — 40C° (может показаться, что немного, однако теплопотерь у такого способа отопления быть не может априори).

Физические свойства

Эмиссионный спектр излучения атомов водорода на фоне сплошного спектра в видимой области

Эмиссионный спектр атомов водорода. Четыре видимые глазом спектральные линии серии Бальмера

Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх. Чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода двухатомна — H2. При нормальных условиях это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н. у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120,9⋅106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л.

Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

Фазовая диаграмма водорода

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 сП). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-H2, 0,21 % орто-H2.

Твёрдый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм.

В 1935 году Уингер и Хунтингтон высказали предположение о том, что при давлении свыше 250 тысяч атм водород может перейти в металлическое состояние. Получение этого вещества в устойчивом состоянии открывало очень заманчивые перспективы его применения — ведь это был бы сверхлёгкий металл, компонент лёгкого и энергоёмкого ракетного топлива. В 2014 году было установлено, что при давлении порядка 1,5—2,0 млн атм водород начинает поглощать инфракрасное излучение, а это означает, что электронные оболочки молекул водорода поляризуются. Возможно, при ещё более высоких давлениях водород превратится в металл. В 2017 году появилось сообщение о возможном экспериментальном наблюдении перехода водорода в металлическое состояние под высоким давлением.

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях): ортоводород и параводород. Модификации немного различаются по физическим свойствам, оптическим спектрам, также по характеристикам рассеивания нейтронов. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.

Равновесная мольная концентрация параводорода в смеси в зависимости от температуры

Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода, так как энергия пара-молекулы немного ниже энергии орто-молекулы. При 80 К соотношение модификаций приблизительно 1:1. Десорбированный с угля параводород при нагревании превращается в ортоводород с образованием равновесной смеси. При комнатной температуре равновесна смесь ортоводорода и параводорода в отношении около 75:25. Без катализатора взаимное превращение происходит относительно медленно, что даёт возможность изучить свойства обеих модификаций. В условиях разреженной межзвёздной среды характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.

Что необходимо для изготовления топливной ячейки дома

Приступая к изготовлению водородной топливной ячейки, надо обязательно изучить теорию процесса образования гремучего газа. Это даст понимание происходящего в генераторе, поможет при настройке и эксплуатации оборудования. Кроме того, придётся запастись необходимыми материалами, большинство из которых будет нетрудно найти в торговой сети. Что же касается чертежей и инструкций, то мы постараемся раскрыть эти вопросы в полном объёме.

Проектирование водородного генератора: схемы и чертежи

Самодельная установка для получения газа Брауна состоит из реактора с установленными электродами, ШИМ-генератора для их питания, водяного затвора и соединительных проводов и шлангов. В настоящее время существует несколько схем электролизёров, использующих в качестве электродов пластины или трубки. Кроме того, в Сети можно найти и установку так называемого сухого электролиза. В отличие от традиционной конструкции, в таком аппарате не пластины устанавливаются в ёмкость с водой, а жидкость подаётся в зазор между плоскими электродами. Отказ от традиционной схемы позволяет значительно уменьшить габариты топливной ячейки.

В работе можно использовать чертежи и схемы рабочих электролизёров, которые можно адаптировать под собственные условия.

Выбор материалов для строительства генератора водорода

Для изготовления топливной ячейки практически никаких специфичных материалов не требуется. Единственное, с чем могут возникнуть сложности, так это электроды. Итак, что надо подготовить перед началом работы.

  1. Если выбранная вами конструкция представляет собой генератор «мокрого» типа, то понадобится герметичная ёмкость для воды, которая одновременно будет служить и корпусом реактора. Можно взять любой подходящий контейнер, главное требование — достаточная прочность и газонепроницаемость. Разумеется, при использовании в качестве электродов металлических пластин лучше использовать прямоугольную конструкцию, к примеру, тщательно загерметизированный корпус от автомобильного аккумулятора старого образца (чёрного цвета). Если же для получения HHO будут применяться трубки, то подойдёт и вместительная ёмкость от бытового фильтра для очистки воды. Самым же лучшим вариантом будет изготовление корпуса генератора из нержавеющей стали, например, марки 304 SSL.

Электродная сборка для водородного генератора «мокрого» типа

При выборе «сухой» топливной ячейки понадобится лист оргстекла или другого прозрачного пластика толщиной до 10 мм и уплотнительные кольца из технического силикона.

Трубки или пластины из «нержавейки». Конечно, можно взять и обычный «чёрный» металл, однако в процессе работы электролизёра простое углеродистое железо быстро корродирует и электроды придётся часто менять. Применение же высокоуглеродистого металла, легированного хромом, даст генератору возможность работать длительное время. Умельцы, занимающиеся вопросом изготовления топливных ячеек, длительное время занимались подбором материала для электродов и остановились на нержавеющей стали марки 316 L. К слову, если в конструкции будут использоваться трубки из этого сплава, то их диаметр надо подобрать таким образом, чтобы при установке одной детали в другую между ними был зазор не более 1 мм. Для перфекционистов приводим точные размеры: — диаметр внешней трубки — 25.317 мм; — диаметр внутренней трубки зависит от толщины внешней. В любом случае он должен обеспечивать зазор между этими элементами равный 0.67 мм.

От того, насколько точно будут подобраны параметры деталей водородного генератора, зависит его производительность

Заметим, что полированные трубки использовать не рекомендуется. Наоборот, специалисты рекомендуют обработать детали наждачной бумагой для получения матовой поверхности. В дальнейшем это будет способствовать увеличению производительности установки.

Инструменты, которые потребуются в процессе работы

Прежде чем приступить к постройке топливной ячейки, подготовьте такие инструменты:

  • ножовку по металлу;
  • дрель с набором свёрл;
  • набор гаечных ключей;
  • плоская и шлицевая отвёртки;
  • угловая шлифмашина («болгарка») с установленным кругом для резки металла;
  • мультиметр и расходомер;
  • линейка;
  • маркер.

Кроме того, если вы будете самостоятельно заниматься постройкой ШИМ-генератора, то для его наладки потребуется осциллограф и частотомер. В рамках данной статьи мы этот вопрос поднимать не будем, поскольку изготовление и настройка импульсного блока питания лучше всего рассматривается специалистами на профильных форумах.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий