Генератор водорода высокой чистоты. Генератор на водороде


Водородные генераторы. Удивительная механика

Водородные генераторы

В романе Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре» и в некоторых других его произведениях упоминается идея получения энергии путем разложения воды электрическим током на водород и кислород, а затем соединения этих элементов снова в воду. Если бы это производилось с помощью не гальванических элементов, а какого-нибудь менее дорогого источника энергии, то метод вполне подошел бы для решения задачи накопления энергии. Во всяком случае, суть «водородного аккумулирования» именно такова.

Представим себе ветроэлектростанцию, которая вырабатывает энергию только тогда, когда есть ветер. Ветер может дуть всю ночь, но в это время электроэнергия практически не нужна, а днем при максимальной потребности в энергии он вдруг стихает. Ветру не прикажешь дуть или не дуть. Заманчиво, конечно, накапливать энергию ночью в электроаккумуляторах, однако их потребуется слишком много, да и долговечность их невелика.

А что если попробовать при избытке электроэнергии, например ночью, использовать ее для разложения воды на водород и кислород? Газы можно накапливать в специальных емкостях – газгольдерах, а потом, при прекращении ветра, сжигать в двигателях внутреннего сгорания или в паровых двигателях с целью последующей выработки электроэнергии. Достаточно вал двигателя, работающего на водородно-кислородной смеси, соединить с валом электрогенератора.

Схема работы топливного элемента

В таком примерно виде этот метод был разработан в прошлом веке известным изобретателем А. Г. Уфимцевым. Но, подсчитав все «за» и «против», сам же Уфимцев отказался от своей идеи. Дело в том, что КПД газового двигателя внутреннего сгорания не выше 25 %. К тому же для работы на чистом водороде и кислороде ни один из существующих двигателей не предназначен – столь опасная смесь просто взорвет его. КПД паровых двигателей еще ниже. И плюс ко всему – нужно крутить электрогенератор, в котором свои потери энергии. Выходит, что работа целого комплекса сложных машин не принесет желаемого результата, отдача энергии будет очень мала.

Может быть, сделать иначе? Получая из воды водород и кислород, мы пропускаем через нее ток по электродам. Вода, подкисленная или «подщелоченная», является здесь проводником тока, электролитом. А нельзя ли наоборот – подавая кислород и водород снова к электродам, получить взамен ток? Вернуть ту электроэнергию, которая была затрачена на разложение воды?

Оказывается, ученые работают над этим уже давно. Еще в позапрошлом веке было замечено, что если в горячий раствор едкого кали поместить платиновые электроды и к одному из них медленно направить водород, а к другому кислород, то на электродах появится разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления – восстановления водорода и кислорода. Стоило соединить электроды, как возникал электрический ток. Сразу получить большой ток не удалось, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в том, чтобы увеличить мощность этого процесса.

Для преобразования энергии ныне существует множество типов установок, называемых топливными элементами или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100—200 °C. Электролитами могут служить и щелочь, и кислота, причем в твердом и жидком виде.

Водородно-кислородный топливный элемент

Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы – водород и кислород; жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 %, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей. Как же все-таки работает современный топливный элемент? В водородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления – восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии.

Получаемая в топливном элементе вода удаляется через особый фитиль. Она настолько чистая, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток. Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива – водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около 1 МДж/кг. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелые. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии.

Плотность мощности у топливных элементов совсем небольшая, около 60 Вт/кг, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.

Накопители энергии, принцип работы которых основан на аккумулировании водорода, имеют свои особенности в применении на транспорте, в частности на автомобилях. Об этом будет подробно сказано позже.

Интересно, что прямое преобразование химической энергии в электроэнергию свойственно и некоторым видам рыб, например электрическим скатам. Эта рыба, обитающая в теплых морях, переводит энергию, выделяющуюся при переработке пищи, в электроэнергию, совсем как электрохимические генераторы – топливные элементы. Трудно сказать наверняка, но, возможно, скат умеет и накапливать ее, как мы, например, отдыхая, накапливаем силы.

Электрический скат – «торпедо» (а) и схема его «электрических» органов (б)

Электрические органы ската, расположенные по бокам головы, весят около пуда. По своему строению они поразительно похожи на батарею гальванических элементов. Состоят эти органы из многочисленных пластинок, несущих положительные и отрицательные заряды, причем пластинки расположены столбиками (как бы соединены последовательно), а столбики связаны между собой. Каждый электрический орган покрыт «электроизолирующей» тканью.

Скат способен давать ток силой 8 А при напряжении 300 В, то есть развивать мощность почти 2,5 кВт, что больше 3 лошадиных сил. Это завидные показатели для электроаккумуляторов, во всяком случае для тех, которые мы используем при запуске автомобильных двигателей. Если подсчитать плотность мощности электрических органов ската, то получится свыше 150 Вт/кг! Как отмечают многие исследователи, создание аккумулятора с плотностью мощности 100—150 Вт/кг открыло бы широкие возможности для применения электрохимических источников тока на транспорте, в частности для привода электромобилей. Сегодняшним аккумуляторным батареям это пока не под силу. Браво, скат!

Но хотя скат и обогнал аккумуляторную технику, не разводить же его специально для накопления энергии. Нет, скат – не «капсула», он и не захочет быть ею, даже если попытаться «одомашнить» его для целей электроснабжения. Да и общество защиты животных будет против!

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

Генератор водорода: принцип работы, преимущества водородного генератора

Главная / Статьи / Генератор водорода высокой чистоты 

Водород используется в качестве газа-носителя при проведении хроматографических исследований. Для постоянного питания лабораторного оборудования необходимо либо подключать баллоны с h3 под давлением, либо генератор водорода. Второй вариант предпочтительнее по нескольким причинам, и все они будут рассмотрены в этой статье наряду с другими темами:

Преимущества генераторов водорода

Использование баллонного h3 приводит к повышению стоимости производственного цикла: компания вынуждена постоянно закупать и доставлять газ, из-за чего весь процесс работы ставится в зависимость от регулярности поставок. Кроме того, хранение баллонов под давлением — это всегда повышенный риск утечки, взрывов и пожаров.

Установка генератора водорода позволяет получать нужное количество вещества высокой степени очистки (до 99,999%). В результате предприятие оптимизирует структуру расходов, добиваясь при этом постоянного и равномерного проведения хроматографических исследований. Обеспечиваются и дополнительные преимущества:

  • Прибор генерирует газ только по мере необходимости: не нужно хранить водород, что исключает вероятность выброса газа в помещение.
  • Концентрация получаемого вещества ниже взрывоопасной: полностью соблюдается техника безопасности, минимизируются возможные травмы на производстве.
  • Оператор полностью контролирует качество получаемого газа, а в случае его снижения может предпринять меры по дополнительной очистке.

Принцип работы оборудования

Генератор водорода, купить который может любая компания или лаборатория, получает газ из дистиллята. Причем его качество влияет на процентное содержание примесей в готовом продукте. Если в генератор чистого водорода поступает вода с высокой концентрацией посторонних ионов, она несколько раз проходит через деионизационный фильтр и только потом попадает в электролизер. Последующие этапы получения h3 выглядят следующим образом:

  • Дистиллят расщепляется на кислород и водород в процессе электролиза (в качестве электролита применяется ионообменная мембрана).
  • О2 попадает в питающий бак, а потом сбрасывается в атмосферу, как побочный продукт работы устройства.
  • h3 подается в сепаратор, отделяется от воды, которая затем снова поступает в питающий бак. Это обеспечивает непрерывность процесса получения нужного вещества.
  • Водород еще раз проходит через разделяющую мембрану, удаляющую из газа остаточные молекулы кислорода, и поступает в хроматографическое оборудование.

По этому принципу работает любой водородный генератор, купить который предлагают современные производители. Технические параметры зависят от модели.

Особенности и возможности генераторов водорода

Главное требование к прибору — качество получаемого вещества. Генератор водорода, купить который предлагает НПФ «Мета-хром», производит h3 высшей категории, соответствующий ГОСТу. То есть он может использоваться в качестве источника газа-носителя для питания высокоточного лабораторного оборудования. Это актуальное решение, если потребителю по каким-либо причинам недоступен гелий: например, в случаях работы прибора с детектором по теплопроводности.

Современное оборудование полностью автоматизировано за счет наличия большого количества датчиков, контролирующих все этапы получения газа. В свою очередь датчиками управляет микропроцессор. Он позволяет оператору задавать нужные режимы работы с помощью клавиатуры. Генератор водорода, цена которого является доступной, регулирует следующие параметры:

  • Давление полученного вещества, подаваемого на хроматографическую линию.
  • Уровень заливаемого в бак дистиллята и его расход.
  • Герметичность газовых магистралей: при обнаружении утечки сразу подается соответствующий сигнал, работа прекращается.
  • Параметры тока в электролизере.

Выбор прибора

Когда выбирается генератор водорода, цена модели обычно отражает ее возможности. Чем их больше, тем удобнее прибор в регулярном использовании. К наиболее важным параметрам относятся:

  • Микропроцессорное управление для точного задания рабочих параметров.
  • Качество очистки готового продукта: желательно, чтобы техника поддерживала многоступенчатую подготовку h3.
  • КПД электролизера: чем он выше, тем меньше энергии расходуется на поддержание расщепления воды.
  • Возможность дозаливки дистиллята без отключения устройства для обеспечения непрерывности процессов.
  • Продуманная защита от повышения тока в камере электролиза или в случае превышения давления в питающих трубах. Оптимально, если устройство сразу отключается или автоматически меняет рабочие параметры.
  • Регулируемая производительность h3. Наличие этой функции позволяет оператору контролировать объемы генерируемого газа. Сокращается нагрузка на электролизер, повышается срок его службы без необходимости замены.
  • Управление температурным режимом дожигателя кислорода. Чем больше параметров, которые позволяют регулировать генератор чистого водорода, тем проще отладить производственный процесс.
  • Индикация влажности вещества (исключает риск попадания влаги в питающие линии).

Существуют и другие параметры, на которые рекомендуется обратить внимание перед тем, как купить водородный генератор: цена устройства, производительность, степень очистки газа, стабильность давления, обводненность готового вещества, время выхода на режим, потребляемая мощность и габариты.

Обслуживание генераторов водорода

Современные устройства не требуют сложной пусконаладки или дорогостоящего обслуживания. Это универсальные приборы, которые удобно использовать на производствах в любой отрасли промышленности. Управление осуществляется через мини-клавиатуры, а результаты выводятся на ЖК-монитор.

Использование прибора позволяет полностью отказаться или существенно сократить объемы потребления баллонного h3 и повышает эффективность работы предприятий.

www.meta-chrom.ru

Генератор водорода в автомобиле | Проект Заряд

С момента знакомства с двигателем внутреннего сгорания из школьной программы, мы привыкли, что автомобилями используется в качестве топлива бензин или дизельное топливо, позже свое применение нашла сжиженная смесь пропана и бутана. Полагают, что загрязнению атмосферы на 40%, а то и на 60% способствовали автомобили с ДВС. Повышение концентрации СО₂ у поверхности Земли, приводит к росту температуры и возникновение парникового эффекта. Отработавшие газы являются токсичными и пагубно влияют на здоровье человека, и так будет продолжаться, пока не будет найден новый компромисс между безопасностью, удобством и выгодой. Водород для автомобилей не является новой концепцией, о нем говорят и пишут достаточно давно, но из-за давления со стороны крупных нефтяных компаний, многие проекты до сих пор не были реализованы. Со временем, двигатель внутреннего сгорания будет вытеснен с рынка более экономичной и экологически чистой конструкцией, на сегодняшний день, в качестве первого шага к изобретению автомобиля передвигающегося на воздухе, можно считать генератор водорода.

Принцип действия и конструкция

 

В конструкцию генератора входят циркуляционный резервуар, электролизер, модулятор тока, оптимизатор тока и другие детали, которые могут варьироваться в зависимости от типа двигателя. В основе принципа работы лежит химическая реакция электролиза, при которой происходит выделение водорода и кислорода из смеси дистиллированной воды и катализатора. Как мы помним из уроков химии, при реакции электролиза вода разделяется на две молекулы водорода и одну молекулу кислорода. Генерируемый водород, поступая через воздухосборник, смешивается с бензином, который сам является смесью углеводородов, а кислород попадает в воздух, содействуя полному сгоранию топливной смеси. Вступление водорода в реакцию с сажей, образует без остатка сгораемый углерод. Выделяющийся в ходе работы генератора водорода сухой водяной пар, очищает от нагара клапанно-поршневую систему, снижает степень загрязнения масла, увеличивая ресурс двигателя. Одной из причин повышения коэффициента полезного действия оказывается ускоренное сгорание водорода при повышенной температуре. Возможно, КПД тандема генератора водорода с ДВС еще не велик, но и сам двигатель внутреннего сгорания начинал более века назад с малых величин.

 

zaryad.com

Машина на водороде. Генератор водорода для автомобиля

Рано или поздно запасы нефти по всему миру подойдут к концу. Естественно, это вряд ли произойдет прямо завтра, но уже сегодня цены на топливо на основе нефти существенно выросли. Данный факт стал хорошим стимулом для разработчиков, которые занимаются изобретением топлива будущего. К тому же это должно быть не просто топливо, а, желательно, возобновляемое топливо. Многие уверены, что машина на водороде — игрушка. Давайте посмотрим, так ли это.

Топливо будущего

Про такое топливо еще давным-давно писал в своих приключенческих романах известный писатель Жюль Верн. В одном из своих романов на тему альтернативного источника энергии писатель сказал, что продуктом для энергии станет обычная вода. И так случилось. Да, это не вымысел.

Вода, а точнее, один из ее составляющих — водород — не только первый химический элемент. Это еще и источник энергии будущего. И представьте себе, это будущее уже совсем рядом.

Сегодня японские компании производят двигатели, которые работают только на таком виде топлива. Машина на водороде от «Тойоты» — первый в мире серийный автомобиль, оснащенный данным двигателем.

Машина представляет собой седан с четырьмя дверями. В нем установлен электрический двигатель мощностью в 151 л. с. Вы спросите, при чем здесь водород, ведь мотор электрический? Давайте разберемся.

Технологии «Тойоты-Мирай»

Электрический двигатель запитан от специального конвертера. А он уже получает энергию непосредственно из водорода. Газ содержится в баках автомобиля под высоким давлением. Емкости изготовлены из углеродных волокон.

Но для реакции еще необходим кислород. Да, это так. Кислород машина получает прямо из радиатора во время движения. Одной заправки двух баков водородом будет достаточно, чтобы преодолеть на автомобиле до 480 км. Заправка занимает всего 3 минуты. За данное время в баки машины зальется 170 литров газа. В среднем машина на водороде расход составит порядка 4,7 литра на 100 км пробега.

Как это работает?

Когда водород вступает в реакцию с кислородом, происходит бурная химическая реакция, в ходе которой вырабатывается электрическая энергия. Она сохраняется в аккумуляторе. В движение автомобиль приводится синхронным двигателем переменного тока.

Технические характеристики «японца»

Максимальная скорость, на которую способна машина на водороде, составляет 180 км/ч. До 100 км автомобиль способен разогнаться всего за 9 секунд.

Кроме того что на «японце» можно ездить и не наносить вреда экологии, также данный автомобиль можно применять в домашних условиях в качестве электростанции. Инженеры и конструкторы, которые принимали участие в разработке новинки, утверждают, что при помощи такой системы ток подается на целый дом. Таким образом, можно свободно пользоваться бесплатным электричеством в течение 5 дней.

Скидки на топливо для покупателей

Те жители Японии и США, которые приобретут автомобиль на водороде, получат большие скидки и бесплатную заправку своих машин. Авторы грандиозного проекта уверены, что их ждет успех. Однако другие автопроизводители не сидят сложа руки. И вскоре потребители могут получить большой выбор машин на альтернативном топливе.

Великий и ужасный

О том, что водород может стать номером 1 в вопросах альтернативного топлива, говорят достаточно давно. Еще до экономического кризиса в далеком 2008 году СМИ постоянно печатали репортажи о том, как прекрасно можно использовать силу водорода.

Любая машина на водороде считалась прорывом, а ее создателей возводили чуть ли не в лик святых. Неподготовленные читатели и автолюбители уверенно считали это настоящим прорывом, но нужно сказать, что это не так.

150 лет назад

Реальное положение вещей немного отличается от того, что пишут в блогах, посвященных альтернативной энергетике. Водород в таком качестве используется уже около 150 лет. Автомобиль на водороде помог выиграть войну.

Самый первый двигатель внутреннего сгорания на таком топливе был построен Ленуаром в 1860 году. Затем, в 1942 году, случился достаточно массовый перевод всей автомобильной техники именно на водородный источник энергии.

Это случилось в блокадном Ленинграде. Изначально водород должен был применяться в системах ПВО для аэростатов. Однако великие русские инженеры сумели изменить ситуацию.

Как это было?

Аэробусы применялись для защиты города. Эти, наполненные до краев водородом, летающие объекты из резины не давали возможности фашистским самолетам вести прицельную стрельбу по городу.

Однако резиновая воздушная защита имела один огромный минус. Из-за того, что оболочка аэробуса пропускала этот газ, аэробусы снижались. Вместо водорода его место занимали различные водяные пары, а также другие газы. Поэтому иногда аэробусы опускали на землю, стравливали и заправляли заново.

Для заправки аэробусов применялись лебедки и бензиновые грузовики ГАЗ АА. А в условиях блокады бензин стоил в Ленинграде очень дорого. Война истощила запасы, а Борис Шелиц, который тогда был военным техником, служил как раз на заправочной станции этих самых аэробусов. Так вот. Не стало бензина то есть совсем. Он пробовал использовать для спуска летающих тел электрические лебедки. Однако вскоре закончилось и электричество. Было испробовано множество различных источников альтернативной энергии.

Однажды военный техник подумал, что водород можно использовать иначе, чем просто стравливать в небо. Ведь тепло, которое выдает этот газ при сгорании, в 4 раза превышает таковое от угля, в 3 раза — от бензина и других нефтепродуктов. Шелиц попросил разрешения на эксперимент, и ему его подписали. Нужно ли говорить, что так появилась машина на водороде?

Принцип работы

Схема ученого сводилась к присоединению аэробуса при помощи шланга ко входному коллектору двигателя автомобиля. Водород попадал прямо в цилиндры, минуя при этом карбюратор. Дозировка водорода, а также необходимого для реакции воздуха, выполнялась при помощи дроссельной заслонки или же педалью «газа».

Первые опыты Шелиц проводил в мороз. Двигатель завелся легко, несмотря на температуру за бортом. Мотор проработал стабильно и долго. Правда, аэростаты взорвались, а Шелица контузило. После этого была придумана специальная система защиты. Она основана на водяном затворе, который исключал загорание смеси при вспышках в коллекторе мотора. Так машина на водороде стала более безопасной.

Кстати, после того как один из двигателей разобрали, на нем практически не было следов износа. В цилиндрах не было нагара, а выхлопные газы были лишь водяным паром.

Водород спасает жизни

Изобретенная таким образом машина на водороде во время войны помогла спасти множество жизней, выстоять блокаду, а сам Шелиц получил за эту разработку награду, и даже запатентовал ее. Разработчик был награжден Красной Звездой.

Водородное такси

После войны, когда водород уже негде было достать, об этом стали забывать. Однако некоторые люди еще помнят, как на Украине, в Харькове, работало такси, но не простое, а водородное.

Сэкономить вместе с газом Брауна

В большинстве даже самых современных автомобильных ДВС топливо сгорает далеко не оптимально. Около 60% смеси воздуха и горючего просто-напросто теряются в недрах выпускного коллектора. В коллекторе смесь сгорает не полностью, а при этом еще и образует достаточно токсичные выхлопные газы.

Можно использовать водородный генератор. Это принципиально новое оборудование, которое позволит значительно сэкономить на топливе в машине. Большинство таких устройств обладают стандартной принципиальной схемой. Однако непосредственно генератор водорода для автомобилей различных производителей может иметь определенные различия.

Водород в качестве добавки к топливу хотели использовать давно. Но тогда не было систем, позволяющих оптимизировать смесь топлива и так называемого

hochyvseznat.ru