Даёшь дешёвый водород. Найден упрощённый способ электролиза воды / Habr
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).
Получение водорода электролизом воды / Статьи и обзоры / Элек.ру
Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду.
По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Из всех методов электролиза наиболее перспективным считают высокотемпературный электролиз (себестоимость водорода от 2,35 до 4,8 $/кг). Его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.
Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.
Технологический ток для протекания процесса электролиза воды для получения водорода и кислорода получается, как правило, при помощи промышленного выпрямителя с необходимыми рабочими параметрами, Обычно это напряжение до 90В и силой тока до 1500 А. Подходящим агрегатом является Пульсар СМАРТ.
На электронном дисплее выпрямителя Пульсар СМАРТ или в специальном ПО для компьютера можно контролировать все стадии процесса производства, что позволяет оператору следить за параметрами, и круглосуточно журналировать протекание технологического процесса. Полностью автоматическая работа, включающая непрерывный мониторинг всех параметров для безаварийного функционирования без надзора оператора. Все параметры, касающиеся напряжения и силы тока постоянно измеряются и контролируются микропроцессором выпрямителя. Более того, все контролируемые параметры фиксируются устройством, которое в случае сбоя или отклонения может автоматически остановить процесс и сигнализирует об этом при помощи световой колонны.
Выпрямители тока серии Пульсар СМАРТ разработаны в соответствии с самыми высокими требованиями промышленной эффективности и международными стандартами. При этом технологическое программное обеспечение допускает гибкую адаптацию к требованиям Заказчика, и постоянно совершенствуется.
Вода вместо бензина: электролиз — технология будущего
Это возможно самая важная вещь, которую вы когда-либо читали!
Похоже, что изобретатель из США Стэнли Мэйер разработал электрическую ячейку, которая позволяет разделять воду на водород и кислород с гораздо меньшими затратами энергии, чем требуется при обычном электролизе.
Что это значит для вас? Как это повлияет на вашу жизнь? Позвольте мне рассказать, почему это КРАЙНЕ ВАЖНО ДЛЯ ВСЕХ НАС!
Вот лишь некоторые плюсы:
- Подумайте о МИЛЛИАРДАХ долларов США, которые тратятся на выкачивание веществ из почвы. Мы посылаем эти деньги в ДРУГУЮ СТРАНУ! И они воюют и убивают друг друга и хотят еще больше.
- Если это изобретение будет установлено в ВАШЕМ СУЩЕСТВУЮЩЕМ АВТОМОБИЛЕ, вы больше не потратите ни цента на БЕНЗИН!
- Это бы означало, что эти МИЛЛИАРДЫ долларов остались бы здесь, в старой доброй Америке и использовались бы для медицинского исследования, новых технологий, космических изысканий и многого другого. ЭТО СДЕЛАЛО БЫ ВАШУ ЖИЗНЬ НАМНОГО ЛУЧШЕ!
- Кроме того, это поможет избежать кучи загрязнений. Вы могли бы питать 2 наиболее мощных устройства в вашем доме (ваш Воздушный Кондиционер и Холодильник) благодаря системе, использующей это устройство… Применениям нет числа!!!! ЭТО ТАК ВАЖНО! Я НЕ МОГУ ДАЖЕ СКАЗАТЬ, НАСКОЛЬКО!
ОСТАНОВИТЕСЬ, ЧТО БЫ ВЫ НИ ДЕЛАЛИ И ПОЛУЧИТЕ ЭТУ ИНФОРМАЦИЮ И ДРУГИЕ ДАННЫЕ, ОТДАЙТЕ ТОМУ, КТО ЗНАЕТ, ЧТО ДЕЛАТЬ С НИМИ! ВОЗЬМИТЕ ВЫХОДНОЙ, НЕ ВКЛЮЧАЙТЕ ТЕЛЕВИЗОР НЕСКОЛЬКО ДНЕЙ!
РАСПРОСТРАНЯЙТЕ ЭТО, ПЕЧАТАЙТЕ ЭТО И ПОСЫЛАЙТЕ НА СТАНЦИИ РАДИО, ПЕРЕДАВАЙТЕ ПО ФАКСУ, ЗАГРУЖАЙТЕ ЭТО НА ВСЕ BBS, КОТОРЫЕ НАЙДЕТЕ!
Знайте, что жадные (!) НЕФТЯНЫЕ компании будут сражаться, как СОБАКИ, чтобы удержать нас от использования этой технологии! НЕ ПОЗВОЛЬТЕ ЭТОМУ СЛУЧИТЬСЯ! СДЕЛАЙТЕ ЭТО ДОСТОЯНИЕМ ГЛАСНОСТИ! НЕ ЖДИТЕ, ЧТО КТО-ТО СДЕЛАЕТ ЭТО ЗА ВАС!
Вы можете увидеть эту статью полностью и с цветной иллюстрацией устройства, посетив вашу местную библиотеку и заказав журнал Моделист Конструктор» №7 1980г (скачать этот номер журнала).
А вот выборочные цитаты из статей различных журналов и сборников по радиоэлектронике:
Демонстрации проводились и прежде профессором Michael Laughton, Dean из Engineering при Колледже Королевы Mary, Лондон, Адмирал Сэр Anthony Griffin, бывший командующий британским Флотом, и Д-ром Keith Hindley, английским химиком-исследователем. Ячейка Мэйер, сделанная дома изобретателем в Grove City, Огайо, производила гораздо больше водород-кислородной смеси, чем могло ожидаться при простом электролизе.
В то время как обычный электролиз воды требует тока, измеряемого в амперах, ячейка Мэйер производит тот же эффект при миллиамперах. Более того, обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты, для увеличения проводимости ячейка Мэйер действует при огромной производительности с чистой водой.
Согласно очевидцам, самым поразительным аспектом клетки Мэйер было то, что она оставалась холодной даже после часов производства газа.
Эксперименты Мэйер, которые он счел возможными представить к патентованию, заслужили серию патентов США, представленные под Секцией 101. Представление патента под этой секцией зависит от успешной демонстрации изобретения Патентному Рецензионному Комитету.
Клетка Мэйер’а имеет много общего с электролитической ячейкой, за исключением того, что она работает при высоком потенциале и низком токе лучше, чем другие методы. Конструкция проста. Электроды — отсылаем заинтересовавшихся к Мэйер’у — сделаны из параллельных пластин нержавеющей стали, образующие либо плоскую, либо концентрическую конструкцию. Выход газа зависит обратно пропорционально расстоянию между ними предлагаемое патентом расстояние 1.5 мм дает хороший результат.
Значительные отличия заключаются в питании ячейки. Мэйер использует внешнюю индуктивность, которая образует колебательный контур с емкостью ячейки, — чистая вода, по-видимому, обладает диэлектрической проницаемостью около 5, — чтобы создать параллельную резонансную схему.
Она возбуждается мощным импульсным генератором, который вместе с емкостью ячейки и выпрямительным диодом составляет схему накачки. Высокая частота импульсов производит ступенчато поднимающийся потенциал на электродах ячейки до тех пор, пока не достигается точка, где молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока. Схема измерения тока питания выявляет этот скачок и запирает источник импульсов на несколько циклов, позволяя воде восстановиться.
Химик-исследователь Keith Hindley предлагает следующее описание демонстрации ячейки Мэйер’а: «После дня презентаций, Griffin комитет засвидетельствовал ряд важных свойств WFC (водяная топливная ячейка, как назвал ее изобретатель).
Группа очевидцев независимых научных наблюдателей Великобритании свидетельствовала что американский изобретатель, Стэнли Мэйер, успешно разлагает обыкновенную водопроводную воду на составляющие элементы посредством комбинации высоковольтных импульсов, при среднем потреблении тока, измеряемого всего лишь миллиамперами. Зафиксированный выход газа был достаточным, чтобы показать водородно-кислородное пламя, которое мгновенно плавило сталь.
По сравнению с обычным сильноточным электролизом, очевидцы констатировали отсутствие какого-либо нагревания ячейки. Мэйер отказался прокомментировать подробности, которые бы позволили ученым воспроизвести и оценить его «водяную ячейку. Однако, он представил достаточно детальное описание американскому Патентному Бюро, чтобы убедить их, что он может обосновать его заявку на изобретение.
Одна демонстрационная ячейка была снабжена двумя параллельными электродами возбуждения. После наполнения водопроводной водой, электроды генерировали газ при очень низких уровнях тока — не больше, чем десятые доли ампера, и даже миллиамперы, как заявляет Мэйер, — выход газа увеличивался, когда электроды сдвигались более близко, и уменьшался, когда они отодвигались. Потенциал в импульсе достигал десятков тысяч вольт.
Вторая ячейка содержала 9 ячеек с двойными трубками из нержавеющей стали и производила намного больше газа. Была сделана серия фотографий, показывающая производство газа при миллиамперном уровне. Когда напряжение было доведено до предельного, газ выходил в очень впечатляющем количестве.
«Мы обратили внимание, что вода вверху ячейки медленно стала окрашиваться от бледно-кремового до темно-коричневого цвета, мы почти уверены в влиянии хлора в сильно хлорированной водопроводной воде на трубки из нержавеющей стали, использованные для возбуждения".
Он продемонстрировал производство газа при уровнях миллиампер и киловольт.
«Самое замечательное наблюдение — это то, что WFC и все его металлические трубки остались совершенно холодные на ощупь, даже после более чем 20 минут работы. «Раскалывающий молекулы» механизм развивает исключительно мало тепла по сравнению с электролизом, где электролит нагревается быстро.»
Результат позволяет рассмотреть эффективное и управляемое производство газа, которое быстро возникает, и безопасно в функционировании. Мы ясно увидели, как увеличение и уменьшение потенциала используется, чтобы управлять производством газа. Мы увидели, как поток газа прекращался и начинался вновь, соответственно когда напряжение на входе было выключено и вновь включено.»
«После часов обсуждения между собой, мы заключили, что Steve Мэйер явился, чтобы изобрести совершенно новый метод для разложения воды, которая обнаруживала некоторые черты классического электролиза. Это подтверждается тем, что его устройства, реально работающие, взятые из его коллекции, удостоверены американскими патентами на разные части WFC системы. Так как они были представлены под Секцией 101 Патентным Бюро США, аппаратура, включенная в патентах, проверена экспериментально экспертами американского Патентного Бюро, их вторыми экспертами и все заявления были установлены.»
«Основной WFC подвергался трехлетнему испытанию. Это подняло предоставленные патенты до уровня независимого, критического, научного и инженерного подтверждения того, что устройства фактически работают, как описано.»
Практическая демонстрация ячейки Мэйер’а является существенно более убедительной, чем псевдонаучный жаргон, который использован для объяснения. Изобретатель лично говорил об искажении и поляризации молекулы воды, приводящему к самостоятельному разрыву связи под действием градиента электрического поля, резонанса в пределах молекулы, который усиливает эффект.
Не считая обильного выделения кислорода и водорода и минимального нагревания ячейки, очевидцы также сообщают, что вода в внутри ячейки исчезает быстро, переходя в ее составные части в виде аэрозоли из огромного количества крошечных пузырей, покрывающих поверхность ячейки.
Мэйер заявил, что у него работает конвертер водородно-кислородной смеси в течение последних 4 лет, использующий цепочку из 6 цилиндрических ячеек.
Рис. 1. Схема, используемая в процессе получения водорода.
Рис. 2. «Водяной конденсатор» в перспективе.Рис. 3a … 3f. Иллюстрация теоритических основ явлений, наблюдаемых во время функционирования изобретения.Рис. 4. Блок-схема.
Лучшее описание реализации:
Кратко, изобретение представляет собой метод получения смеси водорода и кислорода и других растворенных в воде газов.
Процесс заключается в следующем:
(A) конденсатор, в котором вода заключена в качестве диэлектрической жидкости между обкладками, включенный в последовательную резонансную схему с дросселем
(B) к конденсатору прикладывается пульсирующее однополярное напряжение, в котором полярность никак не связана с внешним заземлением, благодаря чему молекулы воды в конденсаторе подвержены заряду той же полярности и молекулы растягиваются под действием электрических полярных сил
(C) подбирают частоту импульсов, поступающих на конденсатор, соответствующую собственной частоте резонанса молекулы
(D) продолжительное действие импульсов в режиме резонанса приводит к тому, что уровень колебательной энергии молекул возрастает с каждым импульсом
(E) комбинация пульсирующего и постоянного электрического поля приводит к тому, что в некоторый момент сила электрической связи в молекуле ослабляется настолько, что сила внешнего электрического поля превосходит энергию связи, и атомы кислорода и водорода освобождаются как самостоятельные газы
(F) сбор готовой к употреблению смеси кислорода, водорода и других растворенных в воде газов в качестве топлива.
Последовательность процессов показана в таблице, в которой молекулы воды подвергаются увеличению электрических сил. В обычном состоянии, наугад ориентированные молекулы воды выравниваются по отношению к внешнему полю.
| Последовательность состояний молекулы воды и/или водорода/кислорода/других атомов: | |
|---|---|
| A | случайное |
| B | ориентация молекул вдоль силовых линий поля |
| C | поляризация молекулы |
| D | удлинение молекулы |
| E | разрыв ковалентной связи |
| F | освобождение газов |
Конструкционные параметры, основанные на знании теоретических принципов, позволяют рассчитать энергию постоянного и импульсного тока, необходимого для разложения воды.
Оптимальный выход газа достигается в резонансной схеме. Частота подбирается равной резонансной частоте молекул.
Для изготовления пластин конденсатора отдается предпочтение нержавеющей стали марки T-304, которая не взаимодействует с водой, кислородом и водородом.
Начавшийся выход газа управляется уменьшением эксплуатационных параметров. Поскольку резонансная частота фиксирована, производительностью можно управлять с помощью изменения импульсного напряжения, формы или количества импульсов.
Повышающая катушка намотана на обычном тороидальном ферритовом сердечнике 1.50 дюйма в диаметре и 0.25 дюйма толщиной. Первичная катушка содержит 200 витков 24 калибра, вторичная 600 витков 36 калибра.
Диод типа 1N1198 служит для выпрямления переменного напряжения. На первичную обмотку подаются импульсы скважности 2.
Трансформатор обеспечивает повышение напряжения в 5 раз, хотя оптимальный коэффициент подбирается практическим путем. Дроссель содержит 100 витков калибра 24, в диаметре 1 дюйм.
В последовательности импульсов должен быть короткий перерыв. Через идеальный конденсатор постоянный ток не течет. Рассматривая воду как идеальный конденсатор, убеждаемся, что энергия не будет расходоваться на нагрев воды.
Реальная вода обладает некоторой остаточной проводимостью, обусловленной наличием примесей. Лучше, если вода в ячейке будет химически чистой. Электролит к воде не добавляется.
Основное отличие принципа работы данной установки — использование резонансного разложения воды эл. током. Это существенно снижает потребляему мощность.
В процессе электрического резонанса может быть достигнут любой уровень потенциала.
Как отмечалось выше, емкость зависит от диэлектрической проницаемости воды и размеров конденсатора.
В примере схемы Рис. 1 кондесатор составляю два концентрических цилиндра 4 дюйма длиной. Расстояние между поверхностями цилиндров 0.0625 дюйма. Резонанс в схеме был достигнут при импульсе 26 вольт, приложенном к первичной обмотке.
В любой резонансной схеме при достижении резонанса ток минимален, а выходное напряжение максимально. Расчет резонансной частоты традиционный. Вторую индуктивность подстраивают в зависимости от чистоты воды так, чтобы потенциал, приложенный к воде, был постоянен. Расход воды контролируется любым подходящим способом.
Настройка аппарата несложна для квалифицированного специалиста.
Примечания:
Диод 1N1198 можно заменить на NTE5995 или ECG5994. Это импульсные диоды на 40 ампер 600 вольт (40 А — куда столько?!).
Нержавеющая сталь T304 великолепна, но но другие типы должны работать так же. T304 просто более доступна.
Внешняя трубка подгоняется под размер 3/4 дюйма 16 калибра (толщина стенки 0.06 дюйма), длиной 4 дюйма. Внутренняя трубка диаметром 1/2 дюйма 18 калибра (стенка 0.049 дюйма, это приблизительный размер для этой трубки, фактический калибр не может быть вычислен из патентной документации, но этот размер должен работать), 4 дюйма длиной.
Вам потребуется присоединить два проводника к трубкам. Используйте для этого нержавеющие стержни и БЕСКИСЛОТНЫЙ ПРИПОЙ! (когда-нибудь эта вода все равно вернется в ваш водопроводный кран).
Вы должны также предусмотреть, чтобы трубки были разделены. Это можно сделать с помощью небольшого куска пластика. Он не должен препятствовать свободному прохождению воды. Не указано, должна ли быть вода внутри трубки. Думается, что она там есть, но это совершенно не влияет на работу прибора. Патент не говорит, но я бы думал, что некоторая изоляция проводов не повредила бы (и, видимо, не должна быть опасной).
Частота не была озвучена, но исходя из размера катушек и трансформатора, она не превышает 50 Mhz. Не упирайтесь в этот факт, это всего лишь моя догадка.
Электролиз обыкновенной воды
В данной статье поговорим про электролиз обыкновенной воды.
Тот, кто не задумываясь, тешит себя роликами с Ютюба, а после этого пытается повторить преподнесённое им на блюдечке, обречён на неудачу. Интернет «кишит» роликами-обманками, и это шоу является частью жизни людей. Кто-то на этом зарабатывает деньги, а кто-то помогает ему зарабатывать деньги, просматривая это шоу. К видеороликам необходимо подходить осторожно. Я, например, знаю, что можно повысить КПД электролизной установки, но я не уверен, действительно ли Мэйер ездил на своем автомобиле на воде? Первое, я себе доказал и теоретически и практически, а второе пока нет.
Для достаточного количества газа необходимого автомобилю, площадь электродов в ячейке Мэйера слишком мала! Один из загадочных элементов в конструкции автомобиля Мэйера – красный бак, находящийся за креслом водителя. Про него ничего нигде не пишут. В бак вставлены ячейка — «Resonant Cavity», индикатор уровня воды – «water level indicator», и лазерный стимулятор. Всё кроме этого бака, так или иначе, описано, а про бак вообще ничего. Неужели это и есть топливный бак (для воды). Но на видеороликах Мэйер наливает воду непосредственно в ячейку. Это было небольшое отступление от темы статьи, а для Вас — тема для раздумий.
Мои исследования, прежде всего, направлены не на скорейшее «подключение» электролизной ячейки к автомобилю, а на максимальное повышение её производительности. Цель – уменьшить электролизный ток, или другими словами – затраты энергии, но при этом увеличить объём выхода кислородно-водородной смеси. В ходе моих экспериментальных исследований выявились определённые физические свойства воды, изучив которые и в последующем используя, удалось увеличить производительность обыкновенной электролизной установки в несколько раз. Сначала я начинал эксперименты с установки, собранной из пластин, но в ходе экспериментов пришлось от них отказаться, перейдя на трубки. Пластины, представляли собой несогласованную нагрузку на сверхвысоких частотах. Тяжело было сделать синфазный СВЧ-разветвитель без потери мощности. Самая банальная, но главная проблема – все активные элементы должны были быть равноудалены от специального СВЧ-резонатора на расстояние кратное длине волны, иначе происходило неравномерное выделение газа. Поэтому я вынужден был перейти на трубки.
Для того, чтобы было с чем сравнивать в дальнейшем, последовательность экспериментов началась с обыкновенного электролиза постоянным током. Опыты я проводил на установке изображённой ниже. Электролизную ячейку я наполнял обыкновенной, пропущенной через угольный фильтр водопроводной водой, не используя при этом кислоты и щелочи. Во время эксперимента, из электролизной ячейки, водородно-кислородная смесь поступала в «перевёрнутую» наполненную водой ёмкость 1 объёмом 100 миллилитров. В начале опыта, при включении установки запускался секундомер. Когда ёмкость наполнялась газом и появлялись выходящие из неё во внешнюю ёмкость 2 пузырьки, секундомер останавливался. Для сокращения времени на опыты, были взяты три пары трубок описанных в патентах Мейера длиной 4 дюйма. Общая площадь электролизного активного пространства (площади электродов) составила около 180 см2.
Указанную ёмкость я «наполнял» газом несколько раз при различных токах электролиза. Мной были выбраны токи: 0,25А; 0,5А; 1А; 1,5А; 2А.
При обыкновенном электролизе постоянным током обнаружилось, что с повышением напряжения U на пластинах электролизной установки, происходит нелинейный рост тока I. По предварительному предположению, пузырьки газа должны препятствовать прохождению тока в межэлектродном пространстве, поэтому увеличение напряжения на пластинах должно приводить к увеличению сопротивления водно-газовой смеси по параболическому закону. На самом деле происходило обратное явление.
Сопротивление R , с повышением напряжения резко падало по нелинейному графику – «гиперболе». Ожидалось, что появляющиеся на поверхности электродов пузырьки газов должны препятствовать прохождению электрического тока между электродами. Но на практике, оказалось, что при повышении тока еще на малых его значениях, происходило резкое падение сопротивления, а при токах выше 7-ми ампер, свойства проводимости воды не изменяются – выполняется Закон Ома. Описанное явление поясняется графиками.
Опыты показали, что пузырьки газов не препятствуют току, а наоборот – проводят его. Произведя несложные вычисления расхода электрической мощности P, и сопоставив её с выходом газа V, получился интересный результат. Оказалось, что чем меньше мощность, а конкретнее – ток, тем производительнее установка. Другими словами, затраты электроэнергии на единицу объёма вырабатываемой кислородно-водородной смеси меньше при малых токах, а при повышении тока, растут его паразитные потери. Это показано на следующих графиках.
Безусловно, при большом токе вырабатывается больше газа, ведь мы стремимся к большему количеству газа, но соотношение выхода газа к затраченной мощности резко падает, что снижает КПД установки.
Проводя эксперименты, я заметил, что в начальный момент подачи фиксированного напряжения, ток электролизной установки увеличивается не сразу, а постепенно. Что это за явление? Какой бы ток не прикладывался, вода свой химический состав не изменит. Это же не философский камень: «Из гумна делать золото». Можно было предположить, что вода обладает индуктивными свойствами, но откуда этим свойствам взяться? Другой вариант является наиболее приемлемым – вода, под действием электрического тока изменяет свои электрохимические свойства. Но что изменяется? Неужели молекулы медленно выстраиваются в ряды? Можно долго рассуждать об ориентации и вытягивании молекул, как это объясняет Мэйер, о поверхностной ионизации электродов, как это делает Канарев, но мы не будем этого делать сейчас. В ходе экспериментов я обратил внимание, что пузырьки образуются не только на внутренних поверхностях электродов, но и снаружи (более медленно). Я решил сбить пузырьки ударами по пластиковому корпусу моей электролизной установки. И тут я заметил, что когда я стучал рукояткой отвёртки по корпусу электролизёра, то стрелка амперметра незначительно, но резко отклонялась в меньшую сторону, а через секунду возвращалась на прежнее деление шкалы. Это и стало очередным открытием. Я подключил вместо стрелочного амперметра параллельно соединенные осциллограф и 25-ти ваттный резистор сопротивлением 1 Ом. При ударах по корпусу электролизной установки, на экране осциллографа наблюдалось более резкое падение тока. Оказалось, что в результате тряски, поверхность электродов быстрее освобождалась от пузырьков газа, что приводило к уменьшению паразитного тока снижающего КПД установки. Этот факт и явился решающим в моих дальнейших экспериментах.
Необходимо было создать такое устройство, которое бы «трясло» электролизную установку. На роль трясущего можно рассмотреть кандидатуру пенсионера — нигде не работает, сидит и трясёт, но он занимает определённый объём пространства, его надо кормить, лечить его старые косточки! Выйдет дороже! Поэтому необходимы технические средства.
На некоторых сайтах встречаются статьи о том, что трубки Мэйера имеют специальные пропилы для настройки в резонанс на звуковых частотах. Пропилы вы видите на рисунке.
Конечно, такой вариант использования звуковых колебаний возможен, но крепление трубок сделано так, что не позволяет трубкам вибрировать. Зная о том, что вода хорошо передает звуковые колебания, проще установить в ёмкости один, например – ультразвуковой резонатор и эффект достигнут. Мной использовался обыкновенный генератор прямоугольных импульсов на ТТЛ-микросхеме и ультразвуковой «пятак». Эксперимент с ультразвуковым резонатором показал незначительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности. Характеристика этого процесса показана на графике.
Здесь первый график – отношение объёма выходящего газа V, к электрической мощности P, от самой мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без ультразвукового воздействия, а второй график — с ультразвуковым воздействием. Положительный эффект имеется, но не выразительный. На малой мощности (малом токе), ультразвуковое воздействие вообще не влияет на процесс электролиза, а на большой мощности производительность установки в некоторой степени повышается. В идеале, можно предположить, чем сильнее вибрация, тем выше будет график производительности, но для удаления пузырьков газа из межэлектродного пространства всё равно необходимо время.
Один из вариантов, позволяющих удалять пузырьки газа из межэлектродного пространства – обеспечить быструю циркуляцию воды, вымывающую пузырьки кислорода и водорода. Этот способ использует в своих реакторах товарищ Канарёв. А Мэйер, помимо других способов, конструкцию трубок своей мобильной установки сделал так, чтобы обеспечить наилучшую естественную циркуляцию воды и газов.
Обратившись к патентам Мэйера, я обратил внимание на то, что в патентах он значительное место отводит лазерной стимуляции. Мерцание светодиодов происходит на частоте, приблизительно равной 30 кГц. В качестве стимуляторов, используются мощные красные светодиоды, подобные тем, которые стоят в лазерных указках. Колупать лазерные указки – не дешёвое удовольствие, поэтому я этого делать не стал. Можно конечно повозиться со сверхъяркими светодиодами, но я до этого не дошёл. Если у Вас есть желание и возможности, попробуйте.
До красного светового диапазона я не дошёл, остановившись на СВЧ-частотах. Как я писал ранее, используется резонансная частота молекул воды. Это позволяет коротким маломощным импульсом с СВЧ-заполнением «встряхнуть» практически любой объём воды. Но поскольку непрерывное колебание на сверхвысоких частотах способно только нагревать молекулы воды (подобно квазинепрерывному колебанию микроволновой СВЧ-печи), а нам этого не надо, я применил короткий импульс. Старая конструкция показала неравномерный выход газа из разных пар трубок, поэтому пришлось переделывать конструкцию ячейки с выполнением премудростей техники СВЧ. Благодаря использованию короткого сверхвысокочастотного импульса, произошло значительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности.
Здесь первый график – зависимость отношения объёма выходящего газа V, к мощности P, от самой электрической мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без дополнительного воздействия. Второй график – с ультразвуковым воздействием, а третий — с воздействием СВЧ-импульсом. Положительный эффект от стимуляции СВЧ-импульсами выразительнее, чем стимуляция ультразвуком. В ходе экспериментов при СВЧ-стимуляции, наблюдалось незначительное падение производительности на подводимой мощности около 16-ти Ватт, а потом снова наблюдался подъём производительности. Что это за падение, объяснить пока не могу, думал – ошибка измерения, но при повторных экспериментах и проводимых с использованием других приборов «падение» повторялось. Для точности, повторные измерения проводились с шагом тока в 0,2А, в диапазоне от 0,2А, до 2,4А. На конечном участке графика происходило резкое падение производительности. Правильнее сказать – ток повышался, а количество газа не увеличивалось. Предполагаю, что на больших токах, большое количество выделяемого газа препятствовало работе установки, поэтому при более больших токах, я экспериментировать не стал, нет смысла.
Если Вы посмотрите на последний график, то сможете сделать вывод: эта экспериментальная установка с полезной площадью электродов равной 180 см2 (три пары трубок), способна при затрате 27 Ватт электрической мощности вырабатывать около 2,2 литров кислородно-водородной смеси в час. При указанной мощности и напряжении 12 вольт, ток потребления приблизительно будет равен 2,25 ампера. Отсюда следует, что для выработки 22 литров кислородно-водородной смеси в час, требуется 270 Вт электрической энергии, что при бортовом напряжении в 12 вольт соответствует току 22,5 ампер. При этом необходимо 30 пар трубок высотой около 10 сантиметров. Как видите, ток не малый, но он вполне «вписывается» в затраты энергии штатным генератором автомобиля. Можно и по другому: на 1 киловатт затраченной электрической мощности вырабатывается 81 литр газа, или с пересчётом на метры кубические – необходимо приблизительно 12,3 киловат*час. для выработки одного кубического метра кислородно-водородной смеси.
Если сравнивать с известными электролизными установками, например ИФТИ, затрачивающими 4…5 киловат*час на кубический нормированный метр водорода, то описанная в этой статье установка проигрывает в производительности, поскольку она затрачивает на кубический нормированный метр водорода 18,5 киловат*час. Поэтому из приведённых мной цифр делайте выводы сами.
Обратите внимание, что в описываемой мной установке используется обыкновенная вода, не «сдобренная» каустической содой, или другой щелочью. Щелочь необходима в обыкновенных электролизных установках, без неё установки не производительны. Кроме того, подача напряжения на электроды производится в непрерывном режиме. Но по патентам Мэйера следует, что он использовал импульсный режим. Мэйер пишет, что во время пауз, происходит восстановление воды. Думаю, что паузы в подаче напряжения используются для очистки электродов от пузырьков газа, которые вызывают появление в межэлектродном пространстве дополнительных паразитных токов.
Какой объем газа необходим для работы двигателя внутреннего сгорания, я пока не разбирался. Но то, что показывают на Ютюбе, мало соответствует действительности.
В Стэнфорде усовершенствовали дешёвый способ электролиза воды / Habr
В августе прошлого года учёные из Стэнфордского университета впервые продемонстрировали недорогой способ электролиза воды, то есть разделения H2O на кислород и водород. Для инициации химического процесса достаточно простой батарейки ААА. Разумеется, вместо батарейки можно использовать небольшую солнечную панель, которая обеспечивает разность потенциалов хотя бы 1,5 вольта.В прошлом году учёные использовали катоды и аноды из никеля и оксида никеля. Это первый в мире опыт, когда для электролиза удалось отказаться от электродов из драгоценных металлов (платина, иридий) и когда процесс шёл на таком низком напряжении.
Сейчас им удалось ещё удешевить и упростить электролиз, что сделает водородное топливо ещё дешевле, если вывести технологию на промышленный уровень. В усовершенствованном техпроцессе для катода и анода используется одинаковый катализатор из NiFeOx. То есть анод и катод больше не требуют разной pH-фактора (один кислотный, другой щелочной), так что их легко и удобно можно поместить в общий сосуд с водой. Остаётся только собирать выделяемые кислород и водород (хотя, кислород лучше не собирать, а сразу отпускать в атмосферу).
На видео ниже показано, как работает электролиз от батарейки ААА. С одного электрода выделяется кислород, а с другого — водород. Авторы научной работы заявляют, что интенсивность реакции даже выше, чем при комбинации электродов из традиционных оксида иридия и платины.
Реакция идёт стабильно и очень активно на всей поверхности электродов.
Секрет «фокуса» — в структуре катализатора NiFeOx. Хотя это с виду простые материалы, но структура материала очень специфическая. Он каким-то образом «выращивается» на углеродных нановолокнах (из научной работы не совсем понятно, каким образом его изготовить). Учёные говорят, что этот чудесный катализатор в будущем можно приспособить и для других химических реакций, кроме электролиза воды.
Хотя подобная технология выглядит довольно неправдоподобно, а все восемь соавторов научной работы — китайцы, не следует забывать, что они работают в отделении материаловедения и технологий Стэнфордского университета, одного из самых авторитетных научных заведений мира.
В результате каталитической реакции наночастицы оксида металла (железо, кобальт, оксиды никеля или смеси их оксидов) размером около 20 нм электрохимически преобразуются в сверхмалые наночастицы NiFeOx с диаметром 2-5 нм в результате литий-индуцированной реакции. В отличие от традиционного химического синтеза, отмечают авторы изобретения, этот метод позволяет сохранить превосходное электрическое соединение между наночастицами и приводит к образованию больших площадей для проведения каталитической реакции.
Во время эксперимента была проверена непрерывная работа устройства таким способом в течение целой недели (более 200 часов) без деградации электродов, говорит И Цуй (Yi Cui), один из авторов научной работы. Он добавил, что эффективность электролиза воды составляет 82% при комнатной температуре (судя по всему, при нормальном давлении тоже).
Результаты исследования опубликованы 23 июня 2015 года в журнале Nature Communications (в бесплатном доступе).
Как уже отмечалось годом ранее, это очень важный проект, потому что значительно упрощает технологию изготовления топливных ячеек с водородом. На таких ячейках может работать и мобильная электроника, и автомобили.
Toyota Mirai, один из первых в мире автомобилей на водородных топливных ячейках. Продажи начались 15.12.2014 г. Под днищем у него два баллона с водородом под давлением 70 MПa. Заправка занимает 3-5 мин. Дальность хода: 480 км
Немаловажно, что при сгорании водорода единственным побочным продуктом сгорания является вода. Та же самая вода, которую расщепляли на составляющие, например, солнечным светом на первом этапе технического процесса.
Электролиз воды в промышленных генераторах водорода
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:- Анод — электрод к которому подключен положительный проводник;
- Катод — электрод к которому подключен отрицательный проводник.
Электролиз воды
Под действием электрического тока вода разделяется на составляющие ее молекулы: водород и кислород. Отрицательно заряженный катод притягивает катионы водорода а положительно заряженный анод — анионы ОН—.Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода : KOH или NaOH. Электрохимическая реакция протекающая на электродах выглядит следующим образом:
- Реакция на аноде: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e− — выделение кислорода;
- Реакция на катоде: 2H2O + 2e− → H2 + 2OH− — выделение водорода.
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.
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.
Сверхэффективный электролиз | Volt-info
Тем, кто давно интересуется альтернативами традиционному топливу, наверняка знакомы нашумевшие патенты Стенли Меера, в основе которых лежит сверхэффективный электролиз. Суть их сводится к тому, что при определённых условиях инициируется процесс электролиза, эффективность которого тысячекратно превосходит классический.
Эта тема давно мусолится в Интернет на разных тематических форумах. Я уже не первый год наблюдаю это, и сложилось некоторое мнение по поводу данной технологии.
Многие пытались повторить устройства Стенли, но почти у всех получался малоэффективный бульбулятор, процессы в котором мало чем отличаются от обычного электролиза. Отсутствие полной достоверной информации по принципам работы его запатентованных устройств делает своё дело. В большей степени неудачи последователей Стенли Меера можно отнести к невнимательности и упрощению описанных им устройств. Так, например, в одном из патентов в характеристиках электрической схемы указано напряжение 40000 В, которое практически ни кто не реализовывал в своих репликациях. К тому же, неоднозначность во мнениях относительно механизма низкоамперного электролиза не позволяет с достаточной долей вероятности анализировать возможные причины негативного результата экспериментов.
Хочу заметить, что аналогичные работы проводились и в России. Так, русский учёный Канарёв Филипп Михайлович провёл ряд подробно описанных опытов, которые по своему результату как в зеркале перекликаются с патентами Стенли Меера. Опыты Канарёва Ф. М. не сложно воспроизвести в условиях домашней мастерской (по крайней мере, я трудностей не вижу), чем я и займусь в ближайшее время. Следующие мои статьи будут посвящены конкретно этой тематике.
Большие надежды на успех я связываю по нескольким причинам. Во-первых, Стенли Меер коварно умолчал в своих патентах об импульсной природе процесса. Как я понимаю, в патентах вообще представлена «официальная» трактовка процессов его электролиза, требующая согласования с классической наукой и стандартами. Так сказать – легенда. А как оно на самом деле, по всей видимости, Стенли унёс с собой в могилу. Тем не менее, Никола Тесла бОльшую часть своей научной жизни посвятил импульсной технологии, отойдя от постоянного, а затем и систем переменного тока. И Канарёв представил результаты практических опытов, ключом к которым является импульсная природа воздействия на воду. Во-вторых, в отличие от своего американского коллеги, Филипп Михайлович не просит за свою работу какого-либо вознаграждения, по сей день находится в здравии и готов оказать посильную информационную поддержку любому энтузиасту. По крайней мере, мне так показалось, поскольку свой электронный адрес, опубликованный на его сайте, он не скрывает.