Электролизер для получения водорода

Схема электролиза без мембраны: два параллельных электрода располагаются на расстоянии в несколько сотен микрометров
Не секрет, что чистый водород — один из наиболее перспективных видов альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду, что может быть прекраснее?

Проблема только в стоимости добычи водорода. Электролиз воды предполагает, что электроды погружаются в воду, а между ними находится полимерная мембрана. Ток идёт от катода к аноду, а на своём пути он (при помощи катализатора) расщепляет воду на кислород и водород. Полимерная мембрана выполняет важную функцию, разделяя получившиеся газы.

На сегодняшний в качестве мембраны с ионной проводимостью практически повсеместно используется

нафион

или другой тип мембраны. Но все они отличаются дороговизной и ограниченным сроком службы. К тому, мембраны требуют особых условий проведения электролиза. Например, нафион работает в жидкости только с низкой кислотностью и только с определёнными катализаторами.

Изобретение химиков из EPFL под руководством Деметри Псалтиса (Demetri Psaltis) позволяет избавиться от этих ограничений и намного удешевить электролиз воды.

Они провели ряд экспериментов с микроустройством, размещая электроды на разном расстоянии друг от друга и прогоняя между ними воду на разной скорости. Оказалось, что при определённом расстоянии между электродами H2 и O2 сами разлетаются в разные стороны, без всякой мембраны!

Причина такого поведения ионов — эффект Сегре-Зильберберга, когда при движении жидкости находящиеся в ней частицы поток уносит в стороны.

Учёные надеются, что им удастся приспособить прибор для работы с любыми видами жидких электролитов и любыми катализаторами, поскольку больше нет риска повреждения хрупкой мембраны. Исчезнут обязательные требования использовать только благородные металлы вроде платины из-за ограничений на кислотность (pH) жидкости.

Если получится масштабировать микроустройство до промышленного образца, то это кардинально снизит стоимость водорода, получаемого при электролизе воды.

Научная работа “A membrane-less electrolyzer for hydrogen production across the pH scale” опубликована в журнале “Energy & Environmental Science”, DOI: 10.1039/C5EE00083A (зеркало).

Обустройство загородного дома не может считаться полноценным, если вопрос с отоплением в нем остается нерешенным. В настоящее время устроить отопительную систему в частном доме несложно, главное – правильно подобрать вариант обогрева, который будет отвечать назначению сооружения, его функциональности и находиться в рамках бюджета. Так, к одному из самых современных вариантов обогрева можно отнести отопление дома водородом.

Заводской генератор водорода

И, невзирая на то, что этот способ создания комфортных температурных условий в помещения не так популярен, как более традиционные варианты, есть те, которые даже предпочитают делать водородный генератор своими руками. Что это такое и в чем особенности этого оригинального способа – в нашей статье.

Общая информация

Еще несколько веков тому назад Парацельс во время проведения экспериментов, заметил один очень интересный процесс: при взаимодействии металла и серной кислоты образуются пузырьки воздуха. Чуть позже было установлено, что это выделялся не воздух, а водород – бесцветный газ, не имеющий запаха.

Отопление на водороде – хотя и не новый, но относительно непопулярный способ отопления жилья именно по причине приверженности традиций. И если ранее отопление водородом считалось опасным для человека, поскольку слишком высокая температура требуется для сжигания водорода, то сегодня стали применять альтернативные методики. Усовершенствованная система водородного отопления дала возможность сжигать водород при более низкой температуре, что в принципе безопасно.

Как это работает

Для получения одной воды требуется окисление водорода кислородом (экскурс в школьную программу физики 6 класса). При такой химической реакции выделяется объем тепла, троекратно превышающий тот, который выделяется при сгорании газа. При этом водород, в отличие от газа – неисчерпаемый источник энергии. Если проводить аналогию с другим известным химическим элементом гелием, водород является главным и основным строительным материалом на Земле. Как отмечают специалисты, именно за водородным отоплением будущее, тем более, что сейчас не требуется колоссальной энергии для расщепления атомов воды на кислород и водород. На поиск такого простого способа ушло более двух столетий, в конечном итоге именно метод электролиза оказался самым выгодным и оправданным.

ВИДЕО: Водородный генератор – ячейка Стенли Мейера

Стенли Мейер предложил уникальное решение, которое было способно полностью избавить мир от нефтяной «иглы», за что, собственно и был убит, а труды его бесследно пропали. Были найдены лишь отдельные фрагменты, записки и очерки ученого, на основании которых частично была восстановлена технология, впоследствии названная ячейкой Мейера.

Метод электролиза

Для получения водорода были использованы металлические пластины на небольшом удалении друг от друга, находящиеся под высоким напряжением. При подаче энергии на пластины молекулы воды (Н2О) буквально разрываются на части, высвобождая 2 молекулы водорода и 1 одну молекулу кислорода. В этот момент происходит выделение тепла, равное 121 МДж на 1 кг. Этот газ носит название Брауна, что означает гремучий (Browns Gas), и главная его особенность заключается в том, что газ одноатомный, то есть на одну молекулу приходится один атом. Вместе с тем, газ не случайно назван гремучим, так как соединение водорода с кислородом требуется отдельных мер осторожности.

Схема установки для расщепления воды и получения газа Брауна

Применение водорода в системах отопления

В век технического прогресса существует огромное количество способов обустройства отопительной системы в частном доме. И, вне зависимости от того, что любой из нас имеет огромный выбор обогревательных блоков, некоторые все же умудряются собственноручно собирать тепловые установки, экономя тем самым на этом немало финансовых ресурсов. Так, отопление водородом своими руками может собрать сегодня практически каждый, кто хочет обустроить свое жилье экономно выгодным источником теплоэнергии.

Схема работы электролизера – агрегата для расщепления атомов воды

Водородное отопление частного дома – это экологичный, и вместе с тем, достаточно мощный теплоисточник, позволяющий обогреть здание с большой площадью.

Что же касается покупных обогревательных блоков, то самый первый водородный котел отопления был разработан итальянской компанией. Тогда эти блоки, равно как и сейчас, работали практически бесшумно и не выделяли абсолютно никаких токсичных веществ. Именно по этой причине водородное отопление дома, цена которого во многом зависит от марки оборудования, признано экологически чистым, эффективным и бесшумным способом обогрева жилья.

В силу того, что ученые смогли разработать такой метод сжигания водорода, когда температура внутри котла достигает 300°С, появилась возможность изготавливать тепловое оборудование из привычных жаропрочных металлов.

Водородный генератор для отопления частного дома, купить который можно на заводах производителях, не нуждается в обустройстве специального механизма вывода отходов горения. Дело в том, что они попросту отсутствуют. А это в очередной раз подтверждает, что подобные установки являются экологически чистыми. Во время эксплуатации такие тепловые блоки выделяют только пар, которые никоим образом не может нанести вред, как человеческому организму, так и окружающей среде.

Чтобы получить водород своими руками, потребуется, как было казано выше, только вода и свет. И если в вашем доме проведена вода из колодца или любого другого источника, за который не нужно платить, то расходы только пойдут на оплату электроэнергии.

Генератор водорода (электролизер), изготовленный своими руками

Если воспользоваться для электролиза этого газа энергией, полученной из солнечных панелей, то по конечному итогу вы получите практически бесплатное отопление дома своими руками.

В большинстве случаев водородные котлы используются для обогрева напольных поверхностей. Сегодня таких систем очень много, остается только определиться с типом и мощностью, которая зависит от площади обогреваемого помещения.

Современные водородные отопительные установки комплектуются двумя функциональными элементами:

  • нагревательный блок;
  • трубопроводная система, диаметр которой может колебаться от 25 до 32 мм.

Трубопровода других диаметральных размеров крайне редко применяются в таких системах.

Выполнять разводку тепловых контуров можно собственноручно, главное – придерживаться одного важного условия: на каждое последующее разветвление берутся трубы меньшего диаметра.

Примерный порядок подбора диаметров – труба Ø32 мм, труба Ø25 мм. После того, как будет выполнено разветвление – труба Ø20 мм, завершающая труба Ø16 мм. И если следовать этой рекомендации, то водородная отопительная горелка будет функционировать на должном уровне.

С этой статьей читают: Как сделать геотермальное отопление дома своими руками

Преимущества водородных обогревательных систем

Несмотря на незначительную популярность этого оборудования в наших регионов, оно все-таки завоевало доверие тех, кто уже успел оборудовать свой загородный дом подобным отопительным блоком. А все потом, что водородные тепловые узлы имеют несколько очень важных преимуществ:

  1. Экологичная чистота системы. В этом случае при работе оборудования происходит выброс всего одного побочного продукта – воды в виде пара. Паровые массы не способны нанести вред ни человеческому организму, ни окружающей среде.
  2. Функционирование этого газа в системе осуществляется без участия огня. Тепловая энергия производится за счет каталитической реакции. При смешивании кислорода и водорода получается вода, во время чего происходит выделение огромного объем теплоэнергии. Дальше осуществляется переход теплового потока в теплообменник. Как правило, температура в системе колеблется в рамках 35-45°С, что вполне приемлемо для устройства систем «теплый пол».

В скором времени водородные обогревательные установки смогут стать отличной и, что немаловажно, экономически выгодной заменой твердотопливных, электрически и газовых котлов.

  1. Высокий коэффициент полезного действия – порядком 96%, что в сравнении с другими методами обогрева очень выгодно.
  2. Возможность собственноручного сбора и монтажа отопительного блока. При наличии всех необходимых комплектующих и подробной инструкции, любой человек, не имеющий специальных навыков и знаний, сможет без особого труда собрать и оборудовать свой дом водородным отопительным блоком.
  3. Минимальное количество исходного сырья для производства топлива. Понадобится электричество и вода. Если же у вас свой источник воды, то от вас потребуется только электроэнергия. А при обустройстве солнечных панелей на участке, можно и вовсе сократить потребление электричества.

Что же касается недостатков, то среди них можно выделить только один – необходимость специального оборудования для гидролиза этого газа. Кроме указанного, минусов у этого оборудования до сегодняшнего дня не обнаружено.

Вот, собственно, и все тонкости устройства водородных отопительных систем. При грамотном подходе затраты на обогрев помещения с помощью таких установок будут минимальными.

ВИДЕО: Отопление дома водородом

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6-99,9%H2 ) в одну технологическую ступень. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85%.

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных ме­тодов получения водорода [433]. Он обеспечивает получение чистого про­дукта (99,6—99,9 % Н2) в одну технологическую ступень. Экономика про­цесса в основном зависит от стоимости электроэнергии. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85 % .

Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значитель­ными ресурсами дешевой гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и ра­ботают тысячи более мелких установок во многих странах мира. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении ис­пользования первичных источников энергии. В связи с развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе дешевой электроэнергии атомных электростанций. Ресурсы современной электроэнер­гетики недостаточны для получения водорода в качестве продукта для даль­нейшего энергетического использования. Если электроэнергию получать за счет наиболее дешевой атомной энергии, то при КПД процесса получения электроэнергии, равном 40 % (в случае быстрых реакторов-размножителей) и КПД процесса получения водорода электролизом даже 80 %, полный КПД электролизного процесса составит 0,8-0,4 = 0,32, или 32 %. Далее, если предположить, что электроэнергия составляет 25 % полного производства энергии, а 40 % электроэнергии расходуется на электролиз, тогда вклад этого источника в общее энергообеспечение составит в лучшем случае 0,25Х X 0,4-0,32 = 0,032, или 3,2%. Следовательно, электролиз воды, как метод получения водорода для энергоснабжения может рассматриваться в строго ограниченных рамках. Однако как метод получения водорода для химиче­ской и металлургической индустрии его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролиз с успехом может быть использован на гидростанциях или в тех случаях, когда тепловые и атомные электростанции имеют избыточные мощности, и получение водорода является средством для использования, хра­нения и накопления энергии. Для этой цели могут быть использованы мощ­ные электролизеры производительностью до 1 млн. м3 водорода в сутки. На крупном заводе электролиза воды мощностью 450 т/сут и выше рас­ход электроэнергии на 1 м3 водорода может быть доведен до 4—4,5 кВт-ч. При таком расходе электроэнергии в ряде энергетических ситуаций электро­лиз воды даже в современных условиях сможет стать конкурентоспособным методом получения водорода [435].

Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами: 1) высокая чистота получаемого водорода – до 99,99% и выше; 2) простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке; 3) возможность получения ценнейших побочных продуктов – тяжелой воды и кислорода; 4) общедоступное и неисчерпаемое сырье – вода; 5) гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением; 6) физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.

Во всех процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта будут получаться значительные количества кислорода. Это даст новые стимулы его применения. Он найдет свое место не только как ускоритель технологических процессов, но и как незаменимый очиститель и оздоровитель водоемов, промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущих количеств бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших городов.

Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода – хороший замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения дейтерия, который в свою очередь является сырьем для термоядерной энергетики.

Электролитическое разложение воды.

2 H2O = 2 H2 + O2

Чистая вода практически не проводит тока, поэтому к ней прибавляются электролиты (обычно КОН). При электролизе водород выделяется на катоде. На аноде выделяется эквивалентное количество кислорода, который, следовательно, в этом методе является побочным продуктом.

Получающийся при электролизе водород очень чист, если не считать примеси небольших количеств кислорода, который легко удалить пропусканием газа над подходящими катализаторами, например над слегка нагретым палладированным асбестом. Поэтому его используют как для гидрогенизации жиров, так и для других процессов каталитического гидрирования. Водород, получаемый этим методом довольно дорог.

Дата добавления: 2016-10-26; просмотров: 11851;

Похожие статьи:

Процесс начинается с подготовки воды. Для процесса электролиза требуется так называемая деионизованная вода (также называемая обессоленная, деминерализованная). Это совершенно чистая вода, очищенная от механических и химических загрязнений. Обычная водопроводная вода поступает в «Блок водоподготовки» по трубопроводу «Тр-4». Вода последовательно проходит несколько стадий очистки: механический фильтр, ионообменные смолы, обратный осмос. Насосный блок «Н-1» (включает два насоса – основной и резервный) подаёт готовую деионизованную воду в блок сепарации, через который вода попадает в «Блок электролиза».

«Блок электропитания» понижает сетевое напряжение и преобразует переменный ток в постоянный, который необходим для электролизера. Кроме того, блок обеспечивает электропитание для остального оборудования водородной установки.

В «Блоке электролиза» вода под действием постоянного электрического тока распадается в электролизере «Элз-1» на составляющие ее водород и кислород. Отметим, что деионизованная вода практически не проводит электрический ток. Поэтому для придания воде проводящих свойств в неё добавляют гидроксид калия (KOH). То есть в электролизере циркулирует не чистая вода, а электролит в виде 30%-го раствора KOH в воде. Кроме того, в электролит добавляют пентоксид ванадия (V₂O₅) для снижения поляризации электродов, что повышает эффективность процесса. Выделяющиеся газы (водород и кислород) далее идут по отдельным трактам. Далее рассматривается водородный тракт, кислородный тракт аналогичен водородному.

Водород из электролизера поступает в «Блок сепарации» по трубопроводу «Тр-1» в виде смеси с электролитом. Для выделения водорода от жидкости служит газожидкостный сепаратор «С-1». Сепаратор представляет собой сосуд, в который снизу подаётся электролит. Пузырьки газа выделяются из электролита, газ собирается в верхней части сосуда и уходит в трубопровод. Электролит сливается из сосуда и возвращается в блок электролиза по отдельному трубопроводу (на схеме не показан).

Водород на этом этапе содержит примеси щелочи. Для очистки от щелочи служит скруббер (промыватель) «Ск-1». Промыватель – это сосуд, в который снизу подаётся газ, а сверху из разбрызгивателя подаётся деионизованная вода. Капли воды падают вниз, очищая (промывая) встречный поток газа от капель щелочи. В верхней части сосуда установлен коалесцентный фильтр (пакет из мелкой металлической сетки). Мельчайшие капельки щелочи (туман) конденсируются в этом пакете и стекают  вниз. Таким образом водород практически полностью очищается от следов щелочи. Далее вода по отдельному трубопроводу (на схеме не показан) поступает в сепаратор «С-1», а оттуда – в блок электролиза.

На данном этапе водород насыщен водяным паром и имеет довольно высокую температуру (порядка 50°С. Для его удаления служит конденсатор «К-1». Конденсатор – это теплообменник, в котором газ охлаждается хладоносителем поступающим от «Рефрижератора». Рефрижератор может быть часть оборудования водородной станции, но возможен вариант, когда хладоноситель подаётся от внешней системы охлаждения. Водяной пар конденсируется в конденсаторе после чего отводится из системы с помощью конденсатоотводчика «Ко-1». Водород, полученный на этом этапе называется «сырой», так он все еще содержит примеси воды (точка росы не ниже +3°С) и кислорода (на уровне 0,1-0,5%). Для дальнейшей очистки водород по трубопроводу «Тр-2» подаётся в «Блок очистки». Заметим, что кислород, в случае, если он не нужен потребителю, на аналогичном этапе по трубопроводу «Тр-5» сбрасывается в атмосферу.

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

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