Для чего нужен электролизер
Электролизер. Виды и типы. Устройство и работа. Применение
Электролизер – это специальное устройство, которое предназначено для разделения компонентов соединения или раствора с помощью электрического тока. Данные приборы широко используются в промышленности, к примеру, для получения активных металлических компонентов из руды, очищения металлов, нанесения на изделия металлических покрытий. Для быта они используются редко, но также встречаются. В частности для домашнего использования предлагаются устройства, которые позволяют определить загрязненность воды или получить так называемую «живую» воду.
Основа работы устройства принцип электролиза, первооткрывателем которого считается известный зарубежный ученый Фарадей. Однако первый электролизер воды за 30 лет до Фарадея создал русский ученый по фамилии Петров. Он на практике доказал, что вода может обогащаться в катодном или анодном состоянии. Несмотря на эту несправедливость, его труды не пропали даром и послужили развитию технологий. На данный момент изобретены и с успехом используются многочисленные виды устройств, которые работают по принципу электролиза.
Электролизер
Электролизер работает благодаря внешнему источнику питания, который подает электрический ток. Упрощенно агрегат выполнен в виде корпуса, в который вмонтировано два или несколько электродов. Внутри корпуса находится электролит. При подаче электрического тока происходит разложение раствора на требуемые составляющие. Положительно заряженные ионы одного вещества направляются к отрицательно заряженному электроду и наоборот.
Основной характеристикой подобных агрегатов является производительность. То есть это количество раствора или вещества, которое установка может перерабатывать за определенный период времени. Данный параметр указывается в наименовании модели. Однако на него также могут влиять и иные показатели: сила тока, напряжение, вид электролита и так далее.
Виды и типы
По конструкции анода и расположению токопровода электролизер может быть трех видов, это агрегаты с:
Электролизер, используемый для растворов, по конструктивным особенностям можно условно разделить на:
Устройство
Конструкции агрегатов могут быть различными, но все они работают на принципе электролиза.
Устройство в большинстве случаев состоит из следующих элементов:
Электроды выполняются герметичными. Обычно они представлены в виде цилиндров, которые сообщаются с внешней средой с помощью патрубков. Электроды изготавливаются из специальных токопроводящих материалов. На катоде осаждается металл или к нему направляют ионы отделенного газа (при расщеплении воды).
В цветной промышленности часто применяют специализированные агрегаты для электролиза. Это более сложные установки, которые имеют свои особенности. Так электролизер для выделения магния и хлора требует ванну, выполненную из стенок торцевого и продольного вида. Она обкладывается с помощью огнеупорных кирпичей и иных материалов, а также делится с помощью перегородки на отделение для электролиза и ячейку, в которой собираются конечные продукты.
Конструктивные особенности каждого вида подобного оборудования позволяют решать лишь конкретные задачи, которые связаны с обеспечением качества выделяющихся веществ, скоростью происходящей реакции, энергоемкостью установки и так далее.
Принцип действия
В электролизных устройствах электрический ток проводят лишь ионные соединения. Поэтому при опускании электродов в электролит и включении электрического тока, в нем начинает течь ионный ток. Положительные частицы в виде катионов направляются к катоду, к примеру, это водород и различные металлы. Анионы, то есть отрицательно заряженные ионы текут к аноду (кислород, хлор).
При подходе к аноду анионы лишаются своего заряда и становятся нейтральными частицами. В результате они оседают на электроде. У катода происходят похожие реакции: катионы забирают у электрода электроны, что приводит к их нейтрализации. В результате катионы оседают на электроде. К примеру, при расщеплении воды образуется водород, которые поднимается наверх в виде пузырьков. Чтобы собрать этот газ над катодом сооружаются специальные патрубки. Через них водород поступает в необходимую емкость, после чего его можно будет использовать по назначению.
Принцип действия в конструкциях разных устройств в целом схож, но в ряде случаев могут быть и свои особенности. Так в мембранных агрегатах используется твердый электролит в виде мембраны, которая имеет полимерную основу. Главная особенность подобных приборов кроется в двойном назначении мембраны. Эта прослойка может переносить протоны и ионы, в том числе разделять электроды и конечные продукты электролиза.
Диафрагменные устройства применяются в случаях, когда нельзя допустить диффузию конечных продуктов электролизного процесса. С этой целью применяют пористую диафрагму, которая выполнена из стекла, асбеста или керамики. В ряде случаев в качестве подобной диафрагмы могут применяться полимерные волокна либо стеклянная вата.
Применение
Электролизер широко применяется в различных отраслях промышленности. Но, несмотря на простую конструкцию, оно имеет различные варианты исполнения и функции. Данное оборудование применяется для:
В медицине установки используются в интенсивной терапии для детоксикации организма человека, то есть для создания растворов гипохлорита натрия высокой чистоты. Для этого используется устройство проточного вида с электродами из титана.
Электролизные и электродиализные установки нашли широкое применение для решения экологических проблем и опреснения воды. Но эти агрегаты в виду их недостатков используются редко: это сложность конструкции и их эксплуатации, необходимость трехфазного тока и требования периодической замены электродов из-за их растворения.
Подобные установки находят применение и в быту, к примеру, для получения «живой» воды, а также ее очистки. В будущем возможно создание миниатюрных установок, которые будут использоваться в автомобилях для безопасного получения водорода из воды. Водород станет источником энергии, а машину можно будет заправлять обычной водой.
Что такое электролизер и как его сделать своими руками?
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).
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:
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.
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:
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.
Конструкция диафрагменного электролизера
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 (NaHCO3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:
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
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:
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).
Электролизер
Промышленный электролизер – это технологическое оборудование, которое используется при добыче полезных ископаемых и производственных предприятиях для получения некоторых видов газов (хлора, водорода), для производства алюминия и магния. Отдельные виды оборудования могут применяться для обессоливания, обеззараживания и дезинфекции сточных вод.
Конструктивные особенности устройства
Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы устройства. Устройство имеет токопроводящий корпус, электроды из разных материалов (медный, цинковый и т. д.) – катод и анод, а также патрубки для ввода внутрь электролита и вывода вещества, которое получают электролитическим методом.
Конструкция оборудования может быть изменения для выполнения специализированных задач. Например, для выделения магния и хлора применяется емкость со стенками, облицованными огнеупорными кирпичами или иными подобными материалами.
При подключении установки к электрическому току электроды, которые опущены в токопроводящую жидкость – электролит – начинают электрохимическую реакцию. Между анодом и катодом протекает ионный ток, а в процессе реакции положительные частицы направляются к катоду, а отрицательные – к аноду. Таким образом электролит разлагается, например, на водород кислород, металлы и хлор.
Если электролизная установка используется для получения газа, образующиеся в процессе реакции пузырьки поднимаются и собираются в емкость с помощью специальных патрубков.
Используется несколько видов электролизеров:
Характеристики электролизеров могут варьироваться в зависимости от области применения и задач, которые решаются с их помощью на производстве.
Где применяются электролизеры?
Основные сферы применения оборудования:
Также применяется проточный для нефти электролизер, который используется в комплексах для добычи полезных ископаемых для обеспечения технологического процесса.
Основными преимуществами оборудования является цена, простота обслуживания и высокая производительность, а также большой коэффициент полезного действия.
Как подобрать устройство?
При выборе оборудования для использования в промышленности необходимо обращать внимание на мощность и производительность электролизных установок. Обычно эти параметры указываются в маркировке оборудования. На рынке в России представлены различные модели, среди которых можно подобрать нужный вариант под любое производство.
Что такое электролизер, его принцип работы, конструкция и виды
1 Общая информация об электролизере
Электролизная установка – устройство для электролиза, требующее внешний энергоисточник, конструктивно состоящее из нескольких электродов, которые помещены в заполненную электролитом емкость. Также такая установка может называться устройством для расщепления воды.
В подобных агрегатах основным техническим параметром является производительность, которая означает объем вырабатываемого водорода за час и измеряется в м³/ч. Стационарные агрегаты несут этот параметр в наименовании модели, например, мембранная установка СЭУ-40 вырабатывает за час 40 куб. м водорода.
Внешний вид стационарного промышленного агрегата СЭУ-40
Прочие характеристики таких устройств полностью зависят от целевого назначения и вида установок. Например, при осуществлении электролиза воды КПД агрегата зависит от нижеследующих параметров:
Размещение пластин в ванне электролизной установки
Важно! В конструкциях другого типа значения будут иметь иные параметры.
Установки для электролиза воды могут также использоваться для таких целей, как обеззараживание, очистка и оценка качества воды.
2 ИЗОБРЕТЕНИЕ ИМЕЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Тепло, полученное при окислении газов, можно использовать непосредственно на месте, причем водород и кислород получаются при утилизации отработанного пара и технической воды.
Небольшой расход воды при получении электроэнергии и тепла.
Значительная экономия энергии, т.к. она затрачивается только на разогрев стартера до установившегося теплового режима.
Высокая производительность процесса, т.к. диссоциация молекул воды длится десятые доли секунды.
Взрыво- и пожаробезопасность способа, т.к. при его осуществлении нет необходимости в емкостях для сбора водорода и кислорода.
В процессе работы установки вода многократно очищается, преобразуясь в дистиллированную. Это исключает осадки и накипь, что увеличивает срок службы установки.
Установка изготавливается из обычной стали; за исключением котлов, изготавливаемых из жаропрочных сталей с футеровкой и экранированием их стенок. То есть не требуются специальные дорогие материалы.
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.
Общая схема электролизера выглядит так.
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.
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.
Актуальность этого вопроса на сегодняшний день достаточно высока по причине того, что сфера использования водорода чрезвычайно обширна, а в чистом виде он практически нигде в природе не встречается. Именно поэтому было разработано несколько методик, позволяющих осуществлять добычу этого газа из других соединений посредством химических и физических реакций. Об этом и рассказывается в приведенной статье.
2.1 ЭЛЕКТРОЛИЗ
это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает только под действием электричества. В промышленных генераторах водорода для получения водорода и кислорода проводят электролиз воды. Для протекания реакции необходимо поместить в электролит два электрода, подключенных к источнику питания постоянного тока:
Ниже представлена принципиальная схема промышленного щелочного электролизера.
2.2 ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ
Промышленный электролизер собран по биполярной схеме, где между основными электродом и катодом помещены биполярные «промежуточные» электроды имеющие разные заряды по сторонам. Со стороны основного анода, промежуточный электрод имеет катодную сторону, со стороны катода — анодную (см. рисунок).
Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рисунок). Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы предназначенные для циркуляции электролита.
Данный метод является наиболее применяемым методом в промышленности и позволяет получать газообразный водород с КПД от 50 до 70% производительностью до 500 м3/час при удельных энергозатратах 4,5-5,5 Н2м3/кВт-ч.
2.3 ЭЛЕКТРОЛИЗ НА ТПЭ
В настоящий момент к наиболее эффективным методом разделения можно отнести электролиз с применением твердо-полимерных электролитов на основе перфторированной ионно обменной мембраны.
Данный тип электролизеров позволяет получать водород с КПД до 90% и является наиболее экологичным. Электролизеры с ТПЭ дороже щелочных в 6-7 раз и поэтому пока не получили свое распространение в промышленности.
3 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:
Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались
2H2 O2 → 2H2O Q (энергия)
Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.
4 Что такое электролизер
Электролизер – это специальная установка, применяемая для выделения из раствора или расплава его составляющих.
Основными характеристиками электролизера являются:
Также еще одной важной характеристикой электролизной установки является использование катализаторов.
Читайте также: Водонагреватель для крана Delimano (Делимано): принцип работы и отзывы покупателей
Применяются такие установки для следующих целей:
Важно! Платина-электрод из обычного железа применяется в электролизных установках реже, чем из нержавейки, так как оно быстрее окисляется и приходит в негодность.
5 Типы установок
На сегодняшний день водородный генератор для автомобиля может быть укомплектован тремя различными по типу, характеру работы и производительности электролизёрами:
Первый тип конструкции вполне достаточен для множества карбюраторных двигателей. Отсутствует необходимость в установке сложной электронной схемы регулятора производительности газа, да и сама сборка такого электролизёра не представляет сложности.
Для более мощных автомобилей предпочтительна сборка второго типа реактора. А для двигателей, работающих на дизельном топливе, и большегрузных машин используют третий тип реактора.
Читайте также: ГОСТ 25987-83 Резцы расточные с твердосплавными пластинами с цилиндрическим хвостовиком для координатно-расточных станков. Типы и основные размеры
6 Виды электролизеров
Кратко ознакомимся с конструктивными особенностями основных видов устройств для расщепления воды.
6.1 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.
6.2 Проточные
С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».
Рис Конструкция проточного электролизера
Принцип работы устройства следующий:
6.3 Мембранные
Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке.
Рис 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.
6.4 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 показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.
Конструкция диафрагменного электролизера
6.5 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 (NaHCO3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:
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.
7 Необходимая производительность
Для того чтобы можно было действительно экономить топливо, водородный генератор для автомобиля должен ежеминутно вырабатывать газ из расчёта 1 литр на 1000 рабочего объёма двигателя. Исходя из этих требований подбирается количество пластин для реактора.
Для увеличения поверхности электродов необходимо провести обработку поверхности наждачной бумагой в перпендикулярном направлении. Такая обработка крайне важна — она увеличит рабочую площадь и позволит избежать «прилипания» пузырьков газа к поверхности.
Последнее приводит к изоляции электрода от жидкости и препятствует нормальному электролизу. Не стоит также забывать, что для нормальной работы электролизёра вода должна быть щелочной. Катализатором может служить обычная сода.
8 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.
9 Способы получения водорода
Водород – газообразный элемент без цвета и запаха с плотностью 1/14 по отношению к воздуху. В свободном состоянии он встречается редко. Обычно водород соединен с другими химическими элементами: кислородом, углеродом.
Получение водорода для промышленных нужд и энергетики проводится несколькими методами. Самыми популярными считаются:
Выделить водород можно не только из газовых или водных соединений. Добыча водорода производится при воздействии на дерево и уголь высокими температурами, а также при переработке биоотходов.
Атомный водород для энергетики получают, используя методику термической диссоциации молекулярного вещества на проволоке из платины, вольфрама либо палладия. Ее нагревают в водородной среде под давлением менее 1,33 Па. А также для получения водорода используются радиоактивные элементы.
9.1 Электролизный метод
Принцип действия электролизного генератора водорода
Процедура расщепления жидкости электролизом обратен горению водорода. Его суть в том, что под воздействием постоянного тока на электродах, опущенных в водный раствор электролита, выделяются кислород и водород.
Дополнительным преимуществом считается получение побочных продуктов, обладающих промышленной ценностью. Так, кислород в большом объеме необходим для катализации технологических процессов в энергетике, очистки почвы и водоемов, утилизации бытовых отходов. Тяжелая вода, получаемая при электролизе, в энергетике используется в атомных реакторах.
Этот способ основан на выделении элемента из содержащих его газовых смесей. Так, наибольшая часть производимого в промышленных объемах вещества, извлекается с помощью паровой конверсии метана. Добытый в этом процессе, водород используют в энергетике, в нефтеочистительной, ракетостроительной индустрии, а также для производства азотных удобрений. Процесс получения H2 осуществляют разными способами:
Последний способ считается наиболее эффективным и менее затратным.
Эта методика получения H2 заключается в сильном охлаждении газовых соединений под давлением. В результате они трансформируются в двухфазную систему, которая впоследствии разделяется сепаратором на жидкое составляющее и газ. Для охлаждения применяют жидкие среды:
Эта процедура не так проста, как кажется. Чисто разделить углеводородные газы за один раз не получится. Часть компонентов уйдет с газом, забираемым из сепарационного отсека, что не экономично. Решить проблему можно глубоким охлаждением сырья перед сепарацией. Но это требует больших энергозатрат.
В современных системах низкотемпературных конденсаторов дополнительно предусмотрены колонны деметанизации либо деэтанизации. Газовую фазу выводят с последней сепарационной ступени, а жидкость направляется в ректификационную колонну с потоком сырого газа после теплообмена.
9.2 Способ адсорбции
Во время адсорбции для выделения водорода используют адсорбенты – твердые вещества, поглощающие необходимые компоненты газовой смеси. В качестве адсорбентов применяют активированный уголь, силикатный гель, цеолиты. Для осуществления этого процесса применяют специальные аппараты – циклические адсорберы или молекулярные сита. При реализации под давлением этот метод позволяет извлекать 85-процентный водород.
Если сравнивать адсорбцию с низкотемпературной конденсацией, можно отметить меньшую материальную и эксплуатационную затратность процесса – в среднем, на 30 процентов. Методом адсорбции производят водород для энергетики и с применением растворителей. Такой способ допускает извлечение 90 процентов H2 из газовой смеси и получение конечного продукта с концентрацией водорода до 99,9%.
Одним из многочисленных физико-химических процессов, нашедших широкое применение, как в промышленности, так и в быту, является электролиз – выделение на поверхностях подключенных к источнику тока электродов, помещенных в раствор или расплав, их составляющих (чистого металла – алюминия меди, газа и т.д.). Основной установкой, внутри которой протекает данный процесс, является электролизер.
10 Самостоятельное изготовление электролизера
Водородный генератор для отопления частного дома
Изготовить электролизер своими руками может каждый человек. Для процесса сборки самой простой конструкции потребуются нижеследующие материалы:
11 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.
Устройство водородной горелки
На рисунке представлена принципиальная схема блока питания для электролизера нашей горелки.
Блок питания электролизной горелки
На мощный выпрямитель нам понадобятся следующие детали:
Краткая инструкция по деталям к электролизеру.
Ванну можно сделать из старого аккумулятора. Пластины следует нарезать 150×150 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.
Чертеж электролизера для водородной горелки
Заметим, что обслуживание такого устройства и управление им не вызывает трудностей.
12 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:
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.
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.
13 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.
Собрав все это, можно приступать к его изготовлению. Сборка осуществляется по чертежам, которые можно найти в интернете или же заказать у специалиста.
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.
14 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.
15 Применение электролизеров
Постоянный рост цен на энергоносители позволил по-новому подойти к электролитическим процессам. Разработаны различные типы установок для получения:
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.
16 Будьте осторожны
Будьте осторожны
После установки генератора, как и во время, не следует забывать о технике безопасности. Водород является легковоспламеняющимся взрывоопасным газом без запаха, поэтому его утечка крайне опасна. Чтобы этого избежать, необходимо тщательно проверить все составляющие электролизатора на герметичность: трубки, насос, резервуар. Особенно это относится к самосборным устройствам. Именно они являются наиболее опасными. Кроме того, неизвестно, насколько качественное топливо они будут в итоге подавать. Конечно, вероятность брака может быть высокой и у покупных моделей, особенно неизвестных или непроверенных производителей. Поэтому всегда лучше отдать предпочтение более дорогому, но и более надёжному производителю данного оборудования. Звучит как реклама, но факт остаётся фактом: за качество приходится доплачивать. Хотя не всегда работает правило, что чем дороже, тем лучше. Идеально, если покупатель, делая свой выбор, опирается на знания в данной области. И, самое главное — доверяй, но проверяй. Ведь даже самый известный бренд может произвести брак.
17 Модели промышленных электролизеров
У углеродных анодов (а графит — это аллотоп углерода) — есть существенный недостаток — при проведении реакции они выбрасывают в атмосферу углекислый газ, тем самым загрязняя ее. В настоящее время особенно актуальна технология инертного анода, сейчас данную технологию тестирует известный производитель алюминия. Суть ее в том, что для используется не вступающий в реакции безуглеродный анод, и как побочный продукт в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистый кислород.
Данная технология существенно повышает экологичность производства, но пока она находится на этапе тестирования.
Несмотря на большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются общие проблемы технического электролиза. К ним следует отнести перенос зарядов, тепла, массы, распределение электрических полей. Для ускорения процесса переноса целесообразно увеличивать скорости всех потоков и применять принудительную конвекцию. Электродные процессы могут контролироваться путем измерения предельных токов.
18 Основные моменты технологии «ПОМ» (PEM)
Электролизёр на протонобменной мембране предназначен для преодоления недостатков, обусловленных:
Все эти проблемы характерны для работы щелочных электролизёров. Технология электролиза с применением протонобменной мембраны видится значимым процессом в производстве водорода, предназначенного под использование в качестве энергоносителя.
Электролиз протонобменной мембраной предлагает ускоренное динамическое время отклика, расширенный рабочий диапазон, высокий процент рабочей эффективности и чистоту газа на выходе (99,999%).
Структурная схема ячейки на протонобменной мембране: 1 – направление течения тока; 2 – движение электронов; 3 – область подачи воды; 4 – выход кислорода; 5 – выход водорода; 6 — электрическое напряжение; А – анод; Э – электролит; К – катод; Г — генератор Одной из преимущественных сторон электролиза протонобменной мембраной является способность устройства работать при высокой плотности тока и степени эффективности процесса. Такие показатели способствуют снижению эксплуатационных расходов.
Полимерный электролит в конструкции электролизёра делает возможным использование очень тонкой протонобменной мембраны (100-200 мкм). Тем не менее, устройством обеспечивается электрохимическое сжатие и рост давления водорода на выходе.
18.1 Протонобменная мембрана современного электролизёра
Современные электролизёры объединены блоками и дают производительность водорода до 15-20 Нм3/ч. Активная поверхность ячеек достигает 600 см2. Модули (стопки) рабочих блоков содержат до 100 ячеек.
Чтобы увеличить мощности и расширить возможности энергопотребления выше 1 МВт (применительно к процессам накопления возобновляемой энергии), производители электролизёров с протонобменной мембраной стараются достичь:
Следовательно, чем выше мощность электролиза, тем ниже стоимость установленного киловатта (или Нм3/ч). Однако на текущий момент технология находится на ранних стадиях применения.
Ещё одним существенным преимуществом электролизёров «ПОМ» является простота общей станционной системы. Электролизёры на твёрдой полимерной мембране питаются водой и электричеством.
Схема компонентов ячейки электролизёра «ПОМ»: 1 – выход кислорода; 2 – вход воды; 3, 9 – поточная плата; 4 – титановый газоразрядный элемент; 5 – иридиевый катализатор; 6 – нафионовая мембрана; 7 – платиновый катализатор; 8 – углеродный газоразрядный элемент; 10 – выход водорода Секрет долгосрочной работы электролизёров «ПОМ» заключается в подготовке воды и контроле качества рабочей жидкости. Взятая из водопроводной сети, вода деионизируется через систему обратного осмоса, чем обеспечивается проводимость ниже 0,1 мкСм/см.
До момента пока мембранные катализаторы не перенасыщены ионами, эффективность клеточного стёка и срок службы обеспечен периодом более 60000 часов. Критические применения, такие как космическая сфера и военная область, показали высокую надёжность технологии.
Благодаря внедрению электролизёров с протонобменной мембраной в области традиционных промышленных применений, например:
промышленные производства приобретают новое видение понимания технологии получения водорода непосредственно на месте.
18.2 Преимущественные стороны эксплуатации «ПОМ»
Оборудование на основе протонобменной мембраны отличается простым обращением и, прежде всего, требует меньшего технического обслуживания по сравнению с традиционными щелочными электролизёрами. Кислородно-конвертерный процесс охватывает как минимум 20-летний срок службы без необходимости замены клапанов или фитингов и без использования (обращения) агрессивных химических соединений.
Однако техническое обслуживание протонобменных мембран ограничивается обязательными правилами, такими как калибровка детектора водорода. Поскольку подготовка воды перед электрохимическим процессом имеет решающее значение, необходимо устанавливать первичные фильтры. Наконец, циркуляция воды в штабелированных модулях обеспечивается насосами с поддержкой смазки один раз в году и заменой подшипников каждые 5 лет.
Одна из многих вариаций исполнения электролизёра на протонобменной мембране. Такие системы обладают вполне достаточной мощностью выработки водородного топлива под производственные нужды Гибкость и экономическая эффективность являются главными приоритетами для обеспечения конкуренции электролизёров на протонобменной мембране с другими — более устоявшимися на промышленном рынке технологиями. Уровни гибкости и безопасности, обеспечиваемые этим решением, не имеют приоритета.
Производство водорода непосредственно на месте больше не воспринимается процессом, требующим крайне сложного опасного оборудования. Исключительно высокопроизводительный, надежный, экономически эффективный способ предлагает технология электролиза с протонобменной мембраной.
Электролиз на протонобменной мембране также рассматривается многообещающей альтернативой хранения энергии водорода в конструкциях возобновляемых источников энергии. Одним словом – найден оптимальный способ получения водорода электролизом по технологии «ПОМ».
19 Негативные стороны водородного типа обогрева зданий
В дискуссиях на тему целесообразности применения водородного топлива для систем отопления скептики приводят весомые аргументы:
20 Немного о доверчивости и наивности
Некоторые предприимчивые дельцы предлагают на продажу водородный генератор на авто. Рассказывают про обработку лазером поверхности электродов или про уникальные секретные сплавы, из которых они сделаны, специальные катализаторы воды, разработанные в научных лабораториях мира.
Всё зависит от способности мысли таких предпринимателей к полёту научной фантазии. Доверчивость может сделать вас за ваши же средства (иногда даже не малые) владельцем установки, у которой через два месяца эксплуатации разрушатся контактные пластины.
Если уж вы решили таким способом экономить, то лучше собирать установку самостоятельно. По крайней мере, не на кого потом будет пенять.
21 Обзор производителей электролизеров
Основными производителями электролизёров являются как отечественные предприятия («РУСАЛ», НПФ «РутТех», АО «Уралхиммаш»), а также их зарубежные конкуренты – Teledyne Energy Systems, Inc (США), Hydrogenics Corp. (Бельгия).
Таким образом, электролизер является достаточно простой и отличающейся большим набором функций установкой, используемой для получения гремучего газа, который в будущем планируют применять в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, котлов отопления.