Как работает генератор водорода

Расщепление воды на кислород и водород с помощью электродов на основе никеля

(Mark Shwartz/Stanford Precourt Institut for Energy).

В 2015 году компании Toyota и Honda обещают выпустить первые серийные автомобили на водородных двигателях. Технология транспорта на водороде в первую очередь отличается от обычных двигателей внутреннего сгорания своей экологической чистотой. Ведь единственный выхлоп в такой системе — водяной пар. В то же время критики указывают на то, что при получении водорода из природного газа выделяются парниковые газы, которые способствуют глобальному потеплению.

Но учёные Стэндфордского университета считают, что в скором времени водород для автозаправок будут получать более безвредным методом. Исследователи разработали недорогое устройство на пальчиковых батарейках, которое без вредных выбросов производит этот газ путём электролиза воды, то есть расщепления её на водород и кислород. В отличие от других подобных генераторов электроды нового устройства выполнены не из драгоценных металлов, а из доступного сочетания железа и никеля.

"Используя дешёвые материалы мы смогли создать достаточно активные катализаторы, чтобы расщеплять воду при комнатной температуре от одной 1,5-вольтовой батарейки, — говорит профессор химии Хуцзе Дай (Hongjie Dai). — Это первый случай, когда для подобных реакций используются доступные металлы, а не платина или иридий".

Водородный двигатель, который уже используется в прототипах различных транспортных средств, получает энергию от реакции обратной расщеплению воды, в которой газообразный водород соединяется с кислородом из воздуха.

Проблема состоит в том, что при существующих технологиях дешевле получать водород путём смешивания природного газа с очень горячим водяным паром. Этот процесс требует больших затрат энергии, а его побочным продуктом является углекислый газ, чрезмерные выбросы которого считают основной причиной глобальных климатических изменений.

"Уже несколько десятилетий учёные стремятся создать недорогие электрокатализаторы с высокой активностью и длительным сроком службы, — рассказывает Дай в пресс-релизе. — Поэтому, когда мы узнали, что электроды на основе никеля так же эффективны, как платина, это стало полной неожиданностью".

Учёные открыли структуру из металлического никеля и его оксида, которая оказалась гораздо лучшим катализатором, чем каждый из элементов по отдельности. В будущем такие электроды смогут экономить производителям водородного топлива миллиарды, которые сегодня тратятся на электроэнергию.

Сейчас авторы устройства, описанного в журнале Nature Materials, работают над продлением его срока службы. Электроды довольно стабильны, но со временем распадаются. В текущей версии их хватает всего на несколько дней безостановочной работы. Помимо этого учёные планируют создать генератор водорода на солнечных батареях, чтобы сделать весь процесс максимально экологичным.

Стоит добавить, что помимо получения водорода устройство может быть использовано для производства газообразного хлора и гидроксида натрия, которые также имеют важное промышленное значение.

Водород — это летучий газ, не имеющий цвета, вкуса и запаха. Широко используется в химической промышленности.

При участии водорода возможно синтезирование органических веществ, вроде:

Он отлично подходит для того чтобы производить органическое топливо или смазочные материалы, также находит применение в нефтепереработке, с помощью него удается очистить нефтепродукты сернистых соединений. Активно применяется при гидрогенизации в процессе создания маргарина.

Однако, при обсуждении водорода, можно говорить не только о синтезе других веществ. С помощью него создают газовые смеси, используемые в метеорологических реостатах, если говорить о транспорте, то раньше им наполняли дирижабли, пока из-за частых аварий не пришлось убрать водород в чистом виде.

В металлургии водород используется чтобы восстанавливать металлы, насыщая им металлические оксиды и соли.В газовой сварке и резке применяются приборы на основе водорода. Также он используется в авиакосмической промышленности в качестве топливных ресурсов для ракет.

Тяжелый водород — дейтерий, широко используетсяв ядерной промышленности, в частности реакторах для замедления нейтронов, а тритий, являющихся сверхтяжелым водородом, используется в сферах исследований биологии и сферах медицины, являясь радиоактивным маркером.

Сейчас водород показывает себя эффективным топливом для транспорта и систем отопления. Ведутся разработки, с направлением на безопасную организацию получения, транспортирования и продолжительное хранение, ведьувеличение спроса на него наблюдается с каждым годом.

Применение ГВЧ в лабораторной практике

В сфере практики в лабораториях приобретаются и активно используются генераторы, работающие на водороде чистота которых достигает практически идеальных 100%. Применяются в газовой хроматографии. С помощью ГВЧ питаются детекторы в установках газоносителем и горелками нескольких ионизирующих детекторов. Хроматография с помощью газа используется, чтобы анализировать почти любые соединения.

ГВЧ с заводским давлением, позволяетэффективно снизить шум, который издается от базовой линии хроматографа. Благодаря этому чувствительность хроматографа повышается, ровно как и его результативность. Срок по которым хроматографическое оборудование будет работать в основном зависит от того, насколько чистый водород там содержится.

При работе прибора, генерирующего водород, не используется щелочь и кислота. Он производит исключительно высокой чистоты водород и кислород, используя принцип электролиза воды. Поэтому главный элемент в ГВЧ это ячейка, в которой происходит электролиз. Питается прибор водой, дистиллированной либо деионизированной.

Вспоминая, насколько чистый водород горюч, это не доставляет каких либо препятствий в использовании его для лабораторно-практических целей. Его выработка в ГВЧ происходит с очень медленной скоростью, при которой в помещении не может создаться концентрация, угрожающая взрывом. Водород является довольно эффективным газом при своей более-менее низкой стоимости.

Водородные и вакуум-водородные электропечи

В промышленности водородные, вакуум-водородные электропечи пользуются большой популярностью. Без их использования не обойтись, когда в атмосферных условиях термическая обработка становится невозможной. Такие аппараты работают автоматически, что исключает аварии.

Читайте также:  Как избавиться от табачного запаха в комнате

Сферы использования таких электропечей:

  • ·В атомной энергетике
  • ·В СВЧ приборах, работающих на средней и высокой мощности;
  • ·Синтез твердых сплавов;
  • ·Приборы в электротехнике;
  • ·Катоды из керамики;
  • ·Изготовление полупроводников;
  • ·Порошковая металлургия;
  • ·Создание переключателей с вакуумным принципом работы;
  • ·Пайка, отжиг, в т.ч. металлических порошков;
  • ·Устранение пленок от оксида;
  • ·Организация защиты нагревателей;

Вакуумные электропечи — это приборы, работающие на водороде. Давление в работающей области пребывает ниже, чем обычное атмосферное.В самой вакуумной камере устанавливается нагревательный элемент, который является основным элементом в аппарате. Представляет из себя герметичный сосуд с присоединением к нему специальных вакуумных насосов.

Вакуумная водородная электропечь представляет возможным провести любой вид термической обработки, использующийся в промышленной сфере.Без применения этой печи не сможет какая-либо сфера деятельности, связанная с термообработкой или пайкой материалов.

Если будет требоваться атмосфера восстановления в электропечи, то идеально эти цели будет выполнять вакуумная водородная электропечь.

Закачивание водорода происходит по следующим шагам:

·произведение форвакуумнойвыкачки рабочего объема;

·напускание инертного газа;

·атмосфера защиты выдавливается водородом.

Водород пускается в элемент только после того как из него будет выкачан атмосферный воздух. Рабочий газ заменяется однонаправленно: рабочий объем выдавливается средой, откачивается атмосфера защиты и происходит последующий напуск.

Как хранится водород в современности

В современности стоит задача разработки возможностей хранить водород на борту ради экологического транспорта, отвечающего всем нужным требованиям. На нынешнее время требования DOE (созданные в США) самые перспективные, заключаются втом, чтобы водород вмещалсяв этих системах не менее 6,5%, при температуре дегидрацииот 60 до 120°С. В режиме работы материал при этом не должен сильно изнашиваться, сохраняя свою долговечность.

Если проанализировать различные возможности по возможному хранению водорода, то можно с уверенностью сказать о серийных перспективах аккумулирования водородом. Хранение водорода в сжиженном виде на сегодняшнее время самый распространенный метод. Такая система устанавливает большую плотность жидкости, объемом до 71 кг/м3, но требования безопасности в этом случае повышаются.

Эффективность металлогидридов в хранении водорода

Для того чтобы хранить водород есть способ, который хорошо подходит, он заключается в создании гидридов металла и интерметалла и интерметаллических. В этом случае водород пребывает в наиболее сложенном состоянии, а его повышение и уменьшение концентрации в средене затрагивает так много энергии, как если сравнивать изготовление газа в жидком состоянии. Гидриды металла также имеют достаточную безопасность и низкие требования к своей надежности.

В сфере создания накапливающего оборудования гибкость технологии сырья открывает большие возможности. В производстве, основным материалом выступают и чистые металлы, и сплавы, применение ограничивается только водородоемкостью. Казалось бы, соединение LaNi5 идеально подойдет чтобы использовать их в накопителях, ведь онимеет большой показатель емкости, достаточные показатели адсорбции и десорбции удовлетворяет долговечностью в циклировании, но показатели массы, которые равняются от 1 до 4% делают это невозможным.

Наиболее подходят гибриды магния с емкостью 7,6%. Они отличаются реакцией с большой обратимостью и высокой температурой с которой водород отдается (примерно 300°С). Температура делает применение гибрида в бортовых условиях в качестве топлива невозможным. Пока никакие сплавы не показывали понижение температуры.

Также можно выделить NaAlH4 (аланат натрия). Его обращаемая емкость достигает 5,6 масс.%. Отличается довольно невысокой ценой и производимостью в высоких объемах. С помощью лигатур температуру возможно произвести меньше чем 150 градусов цельсия. Проблема заключается быстроте двухступенчатой реакции, которая делает низкой возможность применения аланата натрия в каких-либо средствах передвижения.

В настоящее время наука заинтересована в возможностях того, чтобы хранить водород в виде амида и имида лития. Заинтересованность можно объяснить тем, что амид и имид имеют качества, как: обратимость емкости на высоком уровне и высокая температура десорбции. Но для появления возможности создавать накопители для бортов транспорта, основанные на их работе, необходимо снижение уровня энергии, которая тратится чтобы поддерживать весь процесс дегидрирования.

Еще из тех материалов, у которых есть возможность подойти для такой задачи, могут быть борогидриды металлов (Me(BH4)n), благодаря их высокой гравиметрической емкости. Борогидриды, имеющие основу из Ca, Li и Mg, считаются перспективными, но их дегидрация, происходящая на высокой температуре, способность кцикличности на низком уровне, скорость адсорбции и недешевое производство затрудняет использование. Также использование будет затруднять их токсичность.

Возможности нанотехнологий и их развитие

Большое будущее можно заметить в нанометрических материалах, несмотря на то, что они не подходят под стандарты DOE (6,5 масс) чтобы достаточно компактно храниться в транспортных средствах.Также стоит заметить недостаточную изученность принципов действия десорбции и адсорбции, хотя величина, с который емкости обращаются, известна. Она определяет то, насколько эффективно будет осваивать устройства накопления новейших типов.

Самые эффективные считаются комбинированные технологии, применяющиеся в космонавтике. В нем металлогидриды «ловят» водород, который сжимается с помощью криогенных установок. Сейчас это наиболее подходящий пример, который можно отметить при применении гидрида металла. Тем не менее, уже создаются экологически-чистые автомобили и топливные элементы.

В нынешнем хранении водорода требуется много научных ухищрений и исследований, но даже сегодня можно посмотреть на развитие водородных технологий и сказать о реальности его применения. Одной из проблем так же можно считать синтезирующийся водород, над которым уже строятся решения.Как цель — получение адсорбентов (>10 масс.%) для соответствия всем требованиям чтобы хранить водород и устанавливать системы отопления.

Хоть и хоть какие-то материалы, спобосные отвечать всем нужным требованиям по DOE не были найдены учеными, чтобы хранить водород ведутся постоянные исследования; создается множество прототипов транспорта, работающих на водороде.

Читайте также:  Как правильно соединить двойную розетку

Транспорт на водородных двигателях

На нынешнее время идет разработка различных водородных установок, которые позволят использовать себя в транспорте. Это дает возможность того, что в ближайшие 10-20 лет транспорт перейдет на полноценное чистое топливо, которое не будет вредить экологии планеты.

Лидером в создании автотранспорта, работающего на основе водорода является компания из Японии — Toyota. АвтомобильТойота Мирайэто полноценная новинка в автомобильной индустрии, которая не вредит экологии. В ней установлен первый двигатель, запущенный в серию, который работает на водороде.Имеет высокий запас хода, который составляет примерно 480 км

На нем представляется возможность передвигаться на большие расстояния, а не только по городу. Чтобы выезжать на далекие расстояния потребуется АЗС. Хоть сейчас и имеются некоторые трудности для реализации автомобилей, работающих исключительно на водороде, но в будущем все эти проблемы должны будут свободно решиться.

В виде главного элемента транспорта применяется водородная система в 153 силы, которая отличается своей большой мощностью и ее запасом. Как основа взяты специальные ячейки с топливом, которые производят ионообменные реакции вместе с кислородом и водородом. С помощью них образуется достаточной мощности электроэнергия, которая приводит в работу электрический привод.

Toyota Mirai — транспорт, который не вредит экологии, потому что побочным элементом в системе работы транспортного средства действует вода.Для сотни в номинале машине хватит примерно десяти секунд. Это возможно благодаря электрическо-химическому генератору, имеющий название FC Stack. Процесс для того чтобы заправить транспорт занимает около пяти минут.

ДВС, основанные на работе водорода

Когда-то происходили попытки замены ДВС на двигатели, которые основаны на работе водорода. Но ничего из этой идеи не вышло по нескольким проблемам.Одна из проблем состоит из того, что двигатель не может произвести достаточного количества энергии (лишь 1/3 от условий в электрохимическом генераторе).

Также проблема — вероятность того, что прогорит цилиндро-поршневая группа с клапанами. Не стоит забывать, что подобный ДВС может работать долго, что приводит к другим опасностям: Появляется вероятность, что водород будет взаимодействовать и в конечном итоге вступит в реакцию с самим двигателем и ее смазкой. Соответственно, это может доставить неприятности в виде того, что двигатель будет быстро изнашиваться, особенно если влияние будет оказываться на смазку.

У имеются высокие способности проникать в поверхности, поэтому он может оказаться во впускном коллекторе, что создает риск воспламенить все пространство под капотом. Роторный ДВС в этом плане можно назвать безопаснее, благодаря разнесенным коллекторам.

Водород практически идеальный вид топлива, но проблема заключается в том, что он на нашей планете встречается только в виде соединений с другими химическими элементами. Доля «чистого» вещества в атмосфере составляет не более 0,00005%. Учитывая такие реалии, становится актуальным вопрос о водородном генераторе. Рассмотрим принцип работы такого устройства, его конструктивные особенности, сферу применения и возможность самостоятельного изготовления.

Описание и принцип работы водородного генератора

Есть несколько методик выделения водорода и из других веществ, перечислим наиболее распространенные:

  1. Электролиз, данная методика наиболее простая и может быть реализована в домашних условиях. Через водный раствор, содержащий соль, пропускается постоянный электрический ток, под его воздействием происходит реакция, которую можно описать следующим уравнением: 2NaCl + 2H2O→2NaOH + Cl2 + H2↑. В данном случае пример приведен для раствора обычной кухонной соли, что не лучший вариант, поскольку выделяющийся хлор является ядовитым веществом. Заметим, что полученный данным способом водород наиболее чистый (порядка 99,9%).
  2. Путем пропускания водяного пара над каменноугольным коксом, нагретым до температуры 1000°С, при таких условиях протекает следующая реакция: Н2О + С ⇔ СО↑ + H2↑.
  3. Добыча из метана путем конверсии с водяным паром (необходимое условие для реакции – температура 1000°С): СН4 + Н2О ⇔ СО + 3Н2. Второй вариант – окисление метана: 2СН4 + О2 ⇔ 2СО + 4Н2.
  4. В процессе крекинга (переработки нефти) водород выделяется в качестве побочного продукта. Заметим, что в нашей стране все еще практикуется сжигание этого вещества на некоторых нефтеперерабатывающих заводах ввиду отсутствия необходимого оборудования или достаточного спроса.

Из перечисленных вариантов последний наименее затратный, а первый наиболее доступный, именно он положен в основу большинства генераторов водорода, в том числе и бытовых. Их принцип действия заключается в том, что в процессе пропускания тока через раствор, положительный электрод притягивает отрицательные ионы, а электрод с противоположным зарядом – положительные, в результате происходит расщепление вещества.

Конструктивные особенности и устройство генератора водорода

Если с получением водорода проблем сейчас практически нет, то его транспортировка и хранение до сих пор остается актуальной задачей. Молекулы этого вещества настолько малы, что могут проникать даже сквозь металл, что несет определенную угрозу безопасности. Хранение в абсорбированном виде пока не отличается высокой рентабельностью. Поэтому наиболее оптимальный вариант – генерация водорода непосредственно перед его использованием в производственном цикле.

Для этой цели изготавливаются промышленные установки для генерации водорода. Как правило, это электролизеры мембранного типа. Упрощенная конструкция такого устройства и принцип работы приведен ниже.

Упрощенная схема водородного генератора мембранного типа

Обозначения:

  • А – трубка для отвода хлора (Cl2).
  • B – отвод водорода (Н2).
  • С – анод, на котором происходит следующая реакция: 2CL — →CL2 + 2е — .
  • D – катод, реакцию на нем можно описать следующим уравнением: 2Н2О + 2е — →Н2 + ОН — .
  • Е – раствор воды и хлористого натрия (Н2О & NaCl).
  • F – мембрана;
  • G – насыщенный раствор хлористого натрия и образование каустической соды (NaОН).
  • H – отвод рассола и разбавленной каустической соды.
  • I – ввод насыщенного рассола.
  • J – крышка.

Конструкция бытовых генераторов значительно проще, поскольку в большинстве своем они не вырабатывают чистый водород, а производят газ Брауна. Так принято называть смесь кислорода и водорода. Этот вариант наиболее практичен, не требуется разделять водород и кислород, то можно значительно упростить конструкцию, а значит и сделать ее дешевле. Помимо этого полученный газ сжигается по мере его выработки. Хранить и накапливать его в домашних условиях не только проблематично, но и небезопасно.

Обозначения:

  • а – трубка для отвода газа Брауна;
  • b – впускной коллектор подачи воды;
  • с – герметичный корпус;
  • d – блок пластин электродов (анодов и катодов), с установленными между ними изоляторами;
  • e – вода;
  • f – датчик уровня воды (подключается к блоку управления);
  • g – фильтр водоотделения;
  • h – подвод питания, подаваемого на электроды;
  • i – датчик давления (подает сигнал блоку управления при достижении порогового уровня);
  • j – предохранительный клапан;
  • k – отвод газа с предохранительного клапана.
Читайте также:  Как бороться с вишневой мухой

Характерная особенность таких устройств – использование блоков электродов, поскольку не требуется сепарирование водорода и кислорода. Это позволяет сделать генераторы довольно компактными.

Блоки электродов для установки, которая производит газ Брауна

Сферы применения водородного генератора

Ввиду проблем, связанных с транспортировкой и хранением водорода, такие устройства востребованы в производствах, где наличие этого газа требует технологический цикл. Перечислим основные направления:

  1. Производства, связанные с синтезом хлороводорода.
  2. Изготовление топлива для ракетных двигателей.
  3. Создание удобрений.
  4. Производство нитрида водорода (аммиака).
  5. Синтез азотной кислоты.
  6. В пищевой промышленности (для получения твердых жиров из растительных масел).
  7. Обработка металла (сварка и резка).
  8. Восстановление металлов.
  9. Синтез метилового спирта
  10. Изготовление соляной кислоты.

Основные сферы применения генераторов водорода в промышленности

Несмотря на то, что производство водорода в процессе переработки нефти дешевле, чем его получение путем электролиза, как уже указывалось выше, возникают сложности с транспортировкой газа. Строить опасные химические производства, непосредственно, рядом с перерабатывающими нефть заводами не всегда позволяет экологическая обстановка. Помимо этого водород, полученный путем электролиза, значительно чище, чем при крекинге нефти. В связи с этим на промышленные водородные генераторы всегда высокий спрос.

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.

Топливный котел должен иметь соответствующую метку

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.

Применение генератора ННО в авто

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.

Делаем простейший генератор водорода своими руками пошагово

Расскажем, как можно сделать самодельный генератор для получения смеси водорода и кислорода (ННО). Его мощности на отопления дома не хватит, но для газовой горелки для резки металла количество полученного газа будет достаточным.

Рис. 8. Схема газовой горелки

Обозначения:

  • а – сопло горелки;
  • b – трубки;
  • c – водные затворы;
  • d – вода;
  • е – электроды;
  • f – герметичный корпус.

В первую очередь делаем электролизер, для этого нам понадобится герметичная емкость и электроды. В качестве последних используем стальные пластины (их размер выбираем произвольно, в зависимости от желаемой производительности), прикрепленные к диэлектрическому основанию. Соединяем между собой все пластины каждого из электродов.

Когда электроды готовы их надо укрепить в емкости таким образом, чтобы места подключения проводов питания были выше предполагаемого уровня воды. Провода от электродов идут к блоку питания на 12 вольт или автомобильному аккумулятору.

В крышке емкости делаем отверстие под трубку для выхода газа. В качестве водных затворов можно использовать обычные стеклянные банки емкостью 1 литр. Заполняем их на 2/3 водой и подключаем к электролизеру и горелке, как показано на рисунке 8.

Горелку лучше взять готовую, поскольку не каждый материал может выдержать температуру горения газа Брауна. Подключаем ее к выходу последнего водного затвора.

Наполняем электролизер водой, в которую добавлена обычная кухонная соль.

Подаем напряжение на электроды и проверяем работу устройства.

«>

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*