Диафрагменный электролизер своими руками

Протонобменная мембрана: электролиз воды полимерным электролитом + конструкция своими руками

Главная страница » Протонобменная мембрана: электролиз воды полимерным электролитом + конструкция своими руками

Электролизу воды по технологии «ПОМ» (PEM — Proton Exchange Membrane) присуще использование твёрдого полимерного электролита, именуемого в инженерных кругах как протонобменная мембрана. Технологически протоны стабильно протекают внутри мембраны, тогда как электроны движутся по внешнему каналу. Соответственно, водород вырабатывается на катоде. Таким образом, электролиз с протонобменной мембраной («ПОМ») — есть не что иное, как электролиз воды в ячейке, снабженной твёрдым полимерным электролитом (SPE — Solid Polymer Electrolyte). Такого рода электролит обеспечивает проводимость протонов, разделение газообразных продуктов, а также электрическую изоляцию между электродами.

Основные моменты технологии «ПОМ» (PEM)

Электролизёр на протонобменной мембране предназначен для преодоления недостатков, обусловленных:

• частичной нагрузкой,
• низким потенциалом тока,
• плотностью водорода,
• работой при низком давлении.

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.

Протонобменная мембрана современного электролизёра

Современные электролизёры объединены блоками и дают производительность водорода до 15-20 Нм 3 /ч. Активная поверхность ячеек достигает 600 см 2 . 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:

1. Увеличение активной поверхности на элемент.
2. Усиление плотности тока (А/см 2 ), сохраняя при этом эффективность выше 83%.
3. Наращивание сборки ячеек.

Следовательно, чем выше мощность электролиза, тем ниже стоимость установленного киловатта (или Нм 3 /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.

Следовательно, нижние области штабелей станционной системы участвуют только на стадии сушки полученных газов. При давлении на выходе около 30 атм., сушка водорода до 4°C приводит к точке росы -33°C при атмосферном давлении.

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:

• охлаждение генераторов электростанций,
• защита атмосферы при термообработке,
• процессы изготовления листового стекла,

промышленные производства приобретают новое видение понимания технологии получения водорода непосредственно на месте.

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».

Протонобменная мембрана своими руками

В принципе, не составит особых сложностей своими руками изготовить простейший электролизёр на принципах протонобменной мебраны в домашних условиях. Для этого потребуется некоторое количество доступных компонентов и традиционный бытовой инструмент.

Детали для создания устройства «ПОМ» своими руками:

• поликарбонат листовой (толщина 10 мм),
• резиновая трубка (D вн = 8 мм),
• листовая резина (толщина 3 мм),
• шпильки металлические (М8 длина 180 мм),
• гайки М8 обычные и купольные,
• шайбы алюминиевые,
• соединительные адаптеры,
• двухходовые шаровые краны.

Для производства работ потребуется инструмент бытовой, в частности:

• мелкие гаечные ключи;
• электродрель;
• обжимной инструмент;
• кусачки;
• лобзик (пилка);
• маркер, линейка, нож.

Шаг #1 – изготовление торцевых стенок ячейки «ПОМ»

Торцевые стенки ячейки пртонобменной мембраны выполняются на основе листового поликарбоната размером 240×200 мм. Каждая стенка содержит 18 отверстий диаметром 8,5 мм для болтов M8, разнесённых по периметру и одно отверстие диаметром 11,4 мм с резьбой ¼ . Наличие резьбового отверстия на каждой пластине требуется для подключения кранов и шлангов.

Вот такая примерно пластина, создаваемая из поликарбоната, должна получиться в конечном итоге. В общей сложности потребуется, соответственно, пара таких деталей для изготовления системы

Шаг #2 – изготовление элементов электродов ячейки

Электроды устройства изготавливаются из нержавеющей листовой стали толщиной 0,7 мм. Конечно, лучшим материалом электродов видится золото, как высокостабильный и нереакционноспособный материал, но такой вариант обойдётся очень дорого. Поэтому оптимальный выбор для домашней конструкции – нержавеющая сталь (желательно аустенитная сталь 304 с низким содержанием углерода).

По сути, оба типа электродов одинаковы по исполнению. Разница состоит лишь в расположении отверстий диаметром 3 мм, благодаря которым достигается баланс газовой составляющей внутри конструкции. То же самое касается отверстий диаметром ¼. Обе пластины имеют размер 200×160 мм и метки для подвода питания.

Исполнение компонентов электролизёра – рабочих электродов из нержавеющей стали с размещением контактных лепестков и функциональных отверстий

Шаг #3 – прокладки, гайки, болты и сборка аппарата

В общей сложности потребуется 16 прокладок, сделанных из чистого ПВХ размером 200×160 мм с вырезом 136×176 мм и несколько скошенными углами 6×6 мм. Такие прокладки устанавливаются между рабочими электродами системы, способствуя созданию активной ячейки электролизёра по принципу протонобменной мембраны.

Фигурное исполнение поливинилхлоридной прокладки, которая располагается между электродами самодельной установки получения водорода

Далее устанавливаются 18 шпилек в отверстия одной из торцевых стенок, снабжаются необходимыми аксессуарами – гайками и шайбами. Затем нарезаются резиновые трубки по размеру для каждой из 18 шпилек и надеваются на металлическое основание, выступая в качестве изоляторов.

Начальный этап сборки электролизёра своими руками – установка стягивающих шпилек на одну из торцевых поликарбонатных пластин конструкции и оснащение шпилек резиновой изоляцией

На следующем этапе в области между болтами с резиновыми трубками укладывается прокладка ПВХ и следом электрод «А». Далее вновь накладывается прокладка ПВХ, следом электрод «B» и т.д. В общем итоге сборки получается 16 прокладок, 8 электродов «A» и 7 электродов «B».

Следует учитывать точное совпадение больших по диаметру отверстий электродов с отверстиями ¼, сделанных на торцевых стенках конструкции. В эти отверстия устанавливаются запорные краны. В результате получается готовое изделие, как на картинке ниже:

Готовая к эксплуатации конструкция, изготовленная своими руками. Мощность устройства, конечно, несопоставима с промышленными установками, но важен сам факт возможности производства водорода

Шаг #4 – Запуск изготовленной системы в работу

Перед запуском аппарат заполняется смесью воды (предпочтительно дистиллированной) и гидроксида натрия в соотношении 40:1. Резиновая трубка, соединённая с концевой частью выходного шарового крана, подключается к сборному контейнеру (например, к пластиковому пакету).

Далее следует подключить кабели к источнику питания 12В с током нагрузки не менее 20А. Если всё сделано правильно, контейнер начнёт заполняться водородом и кислородом сразу после подачи питания.

При помощи информации: Instructables

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Источник

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:

1. Уровень напряжения (минимального электродного потенциала), оно должно быть от 1,8 до 2 вольт, меньшее значение «не запустит» процесс, а большее приводит к чрезмерному расходу энергии, идущей на нагрев электролита. Если в качестве источника используется блок питания, например, на 14 вольт имеет смысл разделить емкость ванны пластинами на 7 ячеек, в соответствии с рисунком 2. Рис 2. Расположение пластин в ванне электролизера

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.

1. Расстояние между пластинами (между катодным и анодным пространством), чем оно меньше, тем меньше будет сопротивление и, следовательно, больший ток пройдет через раствор электролита, что приведет к увеличению выработки газа.
2. Размеры пластины (имеется в виду площадь электродов), прямо пропорциональны току, идущему через электролит, а значит, также оказывают влияние на производительность.
3. Концентрация электролита и его тепловой баланс.
4. Характеристики материала, используемого для изготовления электродов (золото – идеальный материал, но слишком дорогой, поэтому в самодельных схемах используется нержавейка).
5. Применение катализаторов процесса и т.д.

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).

А) Установка прямого электролиза воды (УПЭВ); Б) анализатор качества воды 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:

• входе электрохимического процесса газ вместе с электролитом выдавливается в емкость «D» через трубу «В»;
• в баке «D» происходит отделение от электролитного раствора газа, который выводится через выходной клапан «С»;
• электролит возвращается в гидролизную ванну через трубу «Е».

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

1. Выход для кислорода.
2. U-образная колба.
3. Выход для водорода.
4. Анод.
5. Катод.
6. Диафрагма.

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:

1. Можно использовать железные электроды.
2. Не выделяются вредные вещества.

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

1. Сопло горелки.
2. Резиновые трубки.
3. Второй водяной затвор.
4. Первый водяной затвор.
5. Анод.
6. Катод.
7. Электроды.
8. Ванна электролизера.

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:

• Транзисторы: VT1 – МП26Б; VT2 – П308.
• Тиристоры: VS1 – КУ202Н.
• Диоды: VD1-VD4 – Д232; VD5 – Д226Б; VD6, VD7 – Д814Б.
• Конденсаторы: 0,5 мкФ.
• Переменные резисторы: R3 -22 кОм.
• Резисторы: R1 – 30 кОм; R2 – 15 кОм; R4 – 800 Ом; R5 – 2,7 кОм; R6 – 3 кОм; R7 – 10 кОм.
• PA1 – амперметр со шкалой измерения не менее 20 А.

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).

Источник