Электролизер что это такое

Электролизер. Виды и типы. Устройство и работа. Применение

Электролизер – это специальное устройство, которое предназначено для разделения компонентов соединения или раствора с помощью электрического тока. Данные приборы широко используются в промышленности, к примеру, для получения активных металлических компонентов из руды, очищения металлов, нанесения на изделия металлических покрытий. Для быта они используются редко, но также встречаются. В частности для домашнего использования предлагаются устройства, которые позволяют определить загрязненность воды или получить так называемую «живую» воду.

Основа работы устройства принцип электролиза, первооткрывателем которого считается известный зарубежный ученый Фарадей. Однако первый электролизер воды за 30 лет до Фарадея создал русский ученый по фамилии Петров. Он на практике доказал, что вода может обогащаться в катодном или анодном состоянии. Несмотря на эту несправедливость, его труды не пропали даром и послужили развитию технологий. На данный момент изобретены и с успехом используются многочисленные виды устройств, которые работают по принципу электролиза.

Что это

Электролизер работает благодаря внешнему источнику питания, который подает электрический ток. Упрощенно агрегат выполнен в виде корпуса, в который вмонтировано два или несколько электродов. Внутри корпуса находится электролит. При подаче электрического тока происходит разложение раствора на требуемые составляющие. Положительно заряженные ионы одного вещества направляются к отрицательно заряженному электроду и наоборот.

Основной характеристикой подобных агрегатов является производительность. То есть это количество раствора или вещества, которое установка может перерабатывать за определенный период времени. Данный параметр указывается в наименовании модели. Однако на него также могут влиять и иные показатели: сила тока, напряжение, вид электролита и так далее.

Виды и типы
По конструкции анода и расположению токопровода электролизер может быть трех видов, это агрегаты с:
  1. Прессованными обожженными анодами.
  2. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также боковым токопроводом.
  3. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также верхним токопроводом.
Электролизер, используемый для растворов, по конструктивным особенностям можно условно разделить на:

  • Сухие.
  • Проточные.
  • Мембранные.
  • Диафрагменные.

Устройство

Конструкции агрегатов могут быть различными, но все они работают на принципе электролиза.

Устройство в большинстве случаев состоит из следующих элементов:
  • Электропроводящий корпус.
  • Катод.
  • Анод.
  • Патрубки, предназначенные для ввода электролита, а также вывода веществ, полученных в ходе реакции.

Электроды выполняются герметичными. Обычно они представлены в виде цилиндров, которые сообщаются с внешней средой с помощью патрубков. Электроды изготавливаются из специальных токопроводящих материалов. На катоде осаждается металл или к нему направляют ионы отделенного газа (при расщеплении воды).

В цветной промышленности часто применяют специализированные агрегаты для электролиза. Это более сложные установки, которые имеют свои особенности. Так электролизер для выделения магния и хлора требует ванну, выполненную из стенок торцевого и продольного вида. Она обкладывается с помощью огнеупорных кирпичей и иных материалов, а также делится с помощью перегородки на отделение для электролиза и ячейку, в которой собираются конечные продукты.

Конструктивные особенности каждого вида подобного оборудования позволяют решать лишь конкретные задачи, которые связаны с обеспечением качества выделяющихся веществ, скоростью происходящей реакции, энергоемкостью установки и так далее.

Принцип действия

В электролизных устройствах электрический ток проводят лишь ионные соединения. Поэтому при опускании электродов в электролит и включении электрического тока, в нем начинает течь ионный ток. Положительные частицы в виде катионов направляются к катоду, к примеру, это водород и различные металлы. Анионы, то есть отрицательно заряженные ионы текут к аноду (кислород, хлор).

При подходе к аноду анионы лишаются своего заряда и становятся нейтральными частицами. В результате они оседают на электроде. У катода происходят похожие реакции: катионы забирают у электрода электроны, что приводит к их нейтрализации. В результате катионы оседают на электроде. К примеру, при расщеплении воды образуется водород, которые поднимается наверх в виде пузырьков. Чтобы собрать этот газ над катодом сооружаются специальные патрубки. Через них водород поступает в необходимую емкость, после чего его можно будет использовать по назначению.

Принцип действия в конструкциях разных устройств в целом схож, но в ряде случаев могут быть и свои особенности. Так в мембранных агрегатах используется твердый электролит в виде мембраны, которая имеет полимерную основу. Главная особенность подобных приборов кроется в двойном назначении мембраны. Эта прослойка может переносить протоны и ионы, в том числе разделять электроды и конечные продукты электролиза.

Диафрагменные устройства применяются в случаях, когда нельзя допустить диффузию конечных продуктов электролизного процесса. С этой целью применяют пористую диафрагму, которая выполнена из стекла, асбеста или керамики. В ряде случаев в качестве подобной диафрагмы могут применяться полимерные волокна либо стеклянная вата.

Применение

Электролизер широко применяется в различных отраслях промышленности. Но, несмотря на простую конструкцию, оно имеет различные варианты исполнения и функции. Данное оборудование применяется для:

  • Добычи цветных металлов (магний, алюминий).
  • Получения химических элементов (разложение воды на кислород и водород, получение хлора).
  • Очистки сточных вод (обессоливание, обеззараживание, дезинфекция от ионов металлов).
  • Обработки различных продуктов (деминерализация молока, посол мяса, электроактивация пищевых жидкостей, извлечение нитратов и нитритов из овощных продуктов, извлечения белка из водорослей, грибов и рыбных отходов).

В медицине установки используются в интенсивной терапии для детоксикации организма человека, то есть для создания растворов гипохлорита натрия высокой чистоты. Для этого используется устройство проточного вида с электродами из титана.

Электролизные и электродиализные установки нашли широкое применение для решения экологических проблем и опреснения воды. Но эти агрегаты в виду их недостатков используются редко: это сложность конструкции и их эксплуатации, необходимость трехфазного тока и требования периодической замены электродов из-за их растворения.

Подобные установки находят применение и в быту, к примеру, для получения «живой» воды, а также ее очистки. В будущем возможно создание миниатюрных установок, которые будут использоваться в автомобилях для безопасного получения водорода из воды. Водород станет источником энергии, а машину можно будет заправлять обычной водой.

Электролизер

Одним из многочисленных физико-химических процессов, нашедших широкое применение, как в промышленности, так и в быту, является электролиз – выделение на поверхностях подключенных к источнику тока электродов, помещенных в раствор или расплав, их составляющих (чистого металла – алюминия меди, газа и т.д.). Основной установкой, внутри которой протекает данный процесс, является электролизер.

Что такое электролизер

Электролизер – это специальная установка, применяемая для выделения из раствора или расплава его составляющих.

Основными характеристиками электролизера являются:

  • Рабочее напряжение для одного электрода колеблется в интервале от 1,8 до 2,0 В;
  • Сила тока – для нормального протекания процесса электролиза на электроды подают ток с значением данной характеристики от 5 до 10 А;
  • Количество электродов – минимальное количество электродов – 2, максимальное ограничивается размерами самой установки и ее предназначением;
  • Габариты электродов – в качестве электродов используют не угольные стержни, а металлические пластины, размер которых определяется предназначением установки, вольт-амперной характеристикой подаваемого на пластины тока;
  • Расстояние между разноименно заряженными поверхностями электродов – минимальное расстояние между пластинами-электродами должно быть не менее 1,5 мм;
  • Материал электрода – в современных электролизерах в качестве материала для анода и катода используют листовую нержавеющую сталь с добавкой никеля.

Также еще одной важной характеристикой электролизной установки является использование катализаторов.

Применяются такие установки для следующих целей:

  • Получение гремучего газа, состоящего из смеси водорода и кислорода (газ Брауна);
  • Выделение чистого алюминия, магния, цинка из расплавов их солей;
  • Очистка воды от растворенных в ней солей и примесей;
  • Нанесение на поверхность металлических деталей тонкого препятствующего коррозии слоя никеля, цинка;
  • Обеззараживание пищевых продуктов;
  • Очистка сточных вод от растворенных в них солей тяжелых металлов и других вредных веществ.

Важно! Платина-электрод из обычного железа применяется в электролизных установках реже, чем из нержавейки, так как оно быстрее окисляется и приходит в негодность.

Устройство и принцип работы

Самая простейшая электролизная установка состоит из нескольких «ячеек», каждая из которых включает в себя:

  • 2 пластинчатых электрода – катод (отрицательный) и анод (положительный);
  • Резиновую прокладку, располагающуюся по периметру двух смежных разноименных электродов.

Крайние ячейки оснащаются специальными патрубками, через которые отводятся выделяющиеся газы.

Электролизер может содержать от 1 до 30-40 и более таких «ячеек», одноименные пластины которых подключены последовательно.

Важно! При использовании источников питания с переменным током дополнительно применяют выпрямители, самым простейшим из которых является диодный мост.

Работает такая установка следующим образом:

  • В пространство между электродами заливают дистиллированную воду с растворенной в ней щелочью или обычной пищевой содой;
  • От источника питания на электроды всех ячеек установки подается напряжение номиналом 1,8-2,0 В;
  • В результате протекания процесса электролиза к отрицательно заряженному катоду притягиваются анионы (положительно заряженные ионы) растворенного в воде вещества, в результате чего на нем образуется тонкая пленка натрия;
  • На положительно заряженном аноде происходит разрушение молекул воды, при этом из каждой образуется 2 атома водорода и 1 атом кислорода;
  • Выделяющийся гремучий газ по отводным патрубкам попадает в предназначенную для него емкость.

Интенсивность процесса электролиза зависит от величины напряжения и силы тока – при малых значениях данных характеристик процесс протекать не будет. Если источник питания будет подавать ток со слишком большими значениями вольт-амперной характеристики, заливаемый в электролизер раствор будет сильно нагреваться и выкипать.

Виды электролизеров

В зависимости от конструкции и принципа работы, различают электролизные установки 5 видов.

Сухие

Такие электролизеры состоят из пластинчатых электродов, разделенных между собой герметичными резиновыми прокладками. Часто «ячейки» установки дополнительно помещают в герметичный корпус.

Вырабатывающиеся в результате электролиза водород и кислород отводятся по специальным патрубкам, находящимся в торце корпуса или крайних пластин установки.

Проточные

Электролизные установки такого вида имеют следующее устройство:

  • Электролизная ванна (корпус) с двумя патрубками, по одному из которых в нее подается электролит, по второму отводится образующийся в результате электролиза гремучий газ;
  • Пластинчатые электроды, отделенные прокладками;
  • Бак с электролитом, расположенный выше корпуса с электродами и соединенный шлангами с патрубками электролизной ванны установки и имеющий в верхней части патрубок с газовым клапаном.

При работе подобного устройства выделяющийся газ через патрубок и шланг попадает в бак с электролитом и, создавая в нем определенное давление, через клапан на отводном патрубке выходит за пределы установки.

Мембранные

Электролизные ячейки таких установок состоят из двух электродов, разделенных между собой тонкой мембраны, пропускающей продукты электролиза и разделяющей электроды между собой.

Диафрагменные

Электролизные установки данного вида состоят из «U» образной колбы с двумя вставленными в нее электродами и 2-3 непроницаемыми диафрагмами. Используются подобные электролизеры для раздельного получения чистого водорода и кислорода.

Щелочные

В отличие от других моделей электролизеров, в таких в качестве электролита применяют раствор щелочи – каустическую соду (гидроксид натрия), являющийся не только дополнительным источником водорода и кислорода, но и катализатором для электролиза.

Такие установки, в отличие от аналогов других видов, позволяют применять более дешевые электроды из обычного железа.

Электролизер для получения водорода

Для того чтобы собрать простейший электролизер своими руками, можно воспользоваться приведенным на рисунке чертежом.

Обратите внимание! Электролизер – это достаточно опасная установка, выделяющийся при работе гремучий газ, скапливаясь в большом количестве, может стать причиной серьезного взрыва. Не следует размещать установку вблизи источников открытого огня, нагревательных приборов.

Электролизер для автомобиля своими руками

Для улучшения сгорания топлива в двигателе автомобиля очень часто собирают электролизер, состоящий из корпуса от старого аккумулятора с помещенными внутрь пластинами из нержавейки, двумя патрубками, один из которых соединен с бачком, заполненным электролитом, второй – с подающим в двигатель воздух шлангом (точнее с гофрированным патрубком, идущим от воздухозаборника к воздушному фильтру).

Запитывают такой самодельный проточный электролизер от аккумуляторной батареи авто при помощи реле и предохранителя на 10 А.

Электролизер своими руками для отопления дома

Применение электролизных установок для отопления дома в настоящее время не приобрело широкого распространения из-за высокой стоимости получаемого в процессе электролиза гремучего газа, по сравнению с наиболее распространенным природным.

Обзор производителей электролизеров

Основными производителями электролизёров являются как отечественные предприятия («РУСАЛ», НПФ «РутТех», АО «Уралхиммаш»), а также их зарубежные конкуренты – Teledyne Energy Systems, Inc (США), Hydrogenics Corp. (Бельгия).

Таким образом, электролизер является достаточно простой и отличающейся большим набором функций установкой, используемой для получения гремучего газа, который в будущем планируют применять в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, котлов отопления.

Видео

Электролиз

Электролиз (греч. elektron – янтарь + lysis — разложение) – химическая реакция, происходящая при прохождении постоянного тока через электролит. Это разложение веществ на их составные части под действием электрического тока.

Процесс электролиза заключается в перемещении катионов (положительно заряженных ионов) к катоду (заряжен отрицательно), и отрицательно заряженных ионов (анионов) к аноду (заряжен положительно).

Итак, анионы и катионы устремляются соответственно к аноду и катоду. Здесь и происходит химическая реакция. Чтобы успешно решать задания по этой теме и писать реакции, необходимо разделять процессы на катоде и аноде. Именно так и будет построена эта статья.

Катод

К катоду притягиваются катионы – положительно заряженные ионы: Na + , K + , Cu 2+ , Fe 3+ , Ag + и т.д.

Чтобы установить, какая реакция идет на катоде, прежде всего, нужно определиться с активностью металла: его положением в электрохимическом ряду напряжений металлов.

Если на катоде появился активный металл (Li, Na, K) то вместо него восстанавливаются молекулы воды, из которых выделяется водород. Если металл средней активности (Cr, Fe, Cd) – на катоде выделяется и водород, и сам металл. Малоактивные металлы выделяются на катоде в чистом виде (Cu, Ag).

Замечу, что границей между металлами активными и средней активности в ряду напряжений считается алюминий. При электролизе на катоде металлы до алюминия (включительно!) не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды – выделяется водород.

В случае, если на катод поступают ионы водорода – H + (например при электролизе кислот HCl, H2SO4) восстанавливается водород из молекул кислоты: 2H + – 2e = H2

К аноду притягиваются анионы – отрицательно заряженные ионы: SO4 2- , PO4 3- , Cl – , Br – , I – , F – , S 2- , CH3COO – .

При электролизе кислородсодержащих анионов: SO4 2- , PO4 3- – на аноде окисляются не анионы, а молекулы воды, из которых выделяется кислород.

Бескислородные анионы окисляются и выделяют соответствующие галогены. Сульфид-ион при оксилении окислении серу. Исключением является фтор – если он попадает анод, то разряжается молекула воды и выделяется кислород. Фтор – самый электроотрицательный элемент, поэтому и является исключением.

Анионы органических кислот окисляются особым образом: радикал, примыкающий к карбоксильной группе, удваивается, а сама карбоксильная группа (COO) превращается в углекислый газ – CO2.

Примеры решения

В процессе тренировки вам могут попадаться металлы, которые пропущены в ряду активности. На этапе обучения вы можете пользоваться расширенным рядом активности металлов.

Теперь вы точно будете знать, что выделяется на катоде ;-)

Итак, потренируемся. Выясним, что образуется на катоде и аноде при электролизе растворов AgCl, Cu(NO3)2, AlBr3, NaF, FeI2, CH3COOLi.

Иногда в заданиях требуется записать реакцию электролиза. Сообщаю: если вы понимаете, что образуется на катоде, а что на аноде, то написать реакцию не составляет никакого труда. Возьмем, например, электролиз NaCl и запишем реакцию:

NaCl + H2O → H2 + Cl2 + NaOH (обычно в продуктах оставляют именно запись “NaOH”, не подвергая его дальнейшему электролизу)

Натрий – активный металл, поэтому на катоде выделяется водород. Анион не содержит кислорода, выделяется галоген – хлор. Мы пишем уравнение, так что не можем заставить натрий испариться бесследно :) Натрий вступает в реакцию с водой, образуется NaOH.

Запишем реакцию электролиза для CuSO4:

Медь относится к малоактивным металлам, поэтому сама в чистом виде выделяется на катоде. Анион кислородсодержащий, поэтому в реакции выделяется кислород. Сульфат-ион никуда не исчезает, он соединяется с водородом воды и превращается в серую кислоту.

Электролиз расплавов

Все, что мы обсуждали до этого момента, касалось электролиза растворов, где растворителем является вода.

Перед промышленной химией стоит важная задача – получить металлы (вещества) в чистом виде. Малоактивные металлы (Ag, Cu) можно легко получать методом электролиза растворов.

Но как быть с активными металлами: Na, K, Li? Ведь при электролизе их растворов они не выделяются на катоде в чистом виде, вместо них восстанавливаются молекулы воды и выделяется водород. Тут нам как раз пригодятся расплавы, которые не содержат воды.

В безводных расплавах реакции записываются еще проще: вещества распадаются на составные части:

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Электролизер для получения водорода

Электролизеры — это установки для получения чистых химических элементов методом пропускания электрического тока через жидкий электролит. В промышленности с их помощью получают металлы методом электрохимической осадки. В домашних условиях электролизеры используются для получения Брауновского газа, смеси водорода с кислородом путем расщепления воды. Для запуска процесса установка нуждается во внешнем источнике питания.

Принцип работы электролизной установки

Знакомство с устройством и принципом работы простейшей установки для электролиза многие прошли еще в школе на уроках физики. Помещая два электрода в соляной раствор и пропуская через него постоянный ток, на одном появляется чистый металл, а со второго начинается выделение газа.

Установкам, предназначенным для получения водорода, необходимо мощное электрическое поле для того, чтобы разорвать атомарные связи. Для облегчения процесса в воду добавляется щелочной катализатор. В основном используют NaOH — натрия гидроксид или NaHCO 3 — соду.

Натрия гидроксид содержится в чистящих средствах Крот и Мистер Мускул. И, кроме пищевой соды, можно использовать и каустическую соду.

Катализатор за счет химических реакций берет на себя значительную часть работы. Ионы гидрогсидной группы притягиваются к положительному электроду. Натрий к отрицательному потенциалу, а освободившиеся молекулы водорода свободно выходят из жидкости.

Применение электролизеров

Постоянный рост цен на энергоносители позволил по-новому подойти к электролитическим процессам. Разработаны различные типы установок для получения:

  • алюминия;
  • хлора;
  • водорода для плазменных аппаратов резки и сварки.

Также устройства работают в составе агрегатов, производящих очистку, обеззараживание питьевой воды и воды для бассейнов, как добавка к топливу для авто, позволяющая полностью использовать потенциал углеводородов. Водород горит значительно раньше бензина. Бензин воспламеняется уже не от искры, а от пламени, что повышает усилие, давящее на поршень двигателя машины.

Некоторые умельцы используют электролиз воды в домашних условиях для обогрева помещений. Но здесь стоит отметить, что себестоимость полученного горючего водорода значительно превосходит по цене тот же природный газ. К тому же температура горения водорода довольно высокая и не всякий металл способен выдержать длительное воздействие без разрушения. А использование термостойких материалов экономически не оправдано.

Виды агрегатов

Различный подход к проблеме позволил создать множество типов электролизеров, среди которых:

  • сухой;
  • мокрый;
  • проточный;
  • мембранный;
  • диафрагменный;
  • щелочной.

В сухих моделях используется набор плоских электродов для подключения высоковольтного блока питания. А связано это с тем, что подаваемое питание на один анод и катод составляет не более 2 В. В автомастерской много аккумуляторов напряжением 12 В, поэтому самодельное устройство может иметь по 6 электродов. Собранная конструкция помещена в герметично закрытую емкость.

В отличие от сухого типа мокрая модель электролизера отличается открытой емкостью. Из-за чего возникает необходимость в постоянном контроле уровня электролита.

Проточный вариант отличается тем, что выделение водорода происходит в отдельной емкости. После чего раствор возвращается в основную емкость с установленными электродными парами.

Мембранный тип отличается тем, что роль электролита выполняет мембрана — твердый электролит. Мембрана выполняет два назначения. Первое — перенос ионов. Второе — отделение продуктов электрохимической реакции на физическом уровне.

Диафрагменный тип аппаратов применяется в том случае, когда не допускается диффузия элементов. Для изготовления пористой диафрагмы используют:

  • керамику;
  • асбест;
  • стекло;
  • полимерную ткань;
  • стеклянную вату.

Прибор, работающий на щелочном растворе предпочтительнее, так как из соляных растворов в процессе реакции происходит выделение хлора, который считается отравляющим веществом.

Щелочную добавку вводят из-за невозможности проведения процесса в дистиллированной воде. Разложения не происходит из-за отсутствия разно заряженных ионов.

Электролизер своими руками

Электролизер для получения водорода своими руками сделать вполне возможно. Перед началом изготовления прибора необходима схема электролизера. Их встречается на просторах интернета большое количество, и подобрать необходимую не составит труда. На основании выбранной схемы разрабатываются чертежи электролизера своими руками.

Затем необходимо подобрать материалы для изготовления элементов. Наилучшим вариантом для изготовления пластин является нержавеющая сталь марки 03Х16Н15М3. маркировка по иностранным стандартам AISI 316 L. Она устойчива к коррозии от воздействия воды и щелочей.

Необходимо изготовить детали в количестве 16 штук. Их можно разместить на стальном квадрате 500×500 мм. Разметив, их можно вырезать ножницами по металлу, если позволит толщина металла, или болгаркой.

На каждом элементе необходимо отрезать один угол, а с противоположной стороны просверлить отверстие, диаметр которого должен совпадать с диаметром соединительного болта.

Сборка пакета пластин производится в следующей последовательности: положительная — отрицательная — положительная — отрицательная и так далее. Эта последовательность обеспечивает высокую плотность тока.

Изолирование пластин между собой производится не проводящей электричество поливинилхлоридной или силиконовой трубкой. Она разрезается вдоль, а ее толщина составляет 1 мм. Затем из нее нарезаются квадратики и сверлятся отверстия. Зазора в один миллиметр вполне достаточно для интенсивного производства газа.

Собранную конструкцию помещают в пластиковый контейнер необходимого объема с герметично закрывающейся крышкой. Если длинные винты не дают ровно установиться их следует отпилить, а гайки надежно затянуть. В крышке сверлятся отверстия, в которых закрепляются штуцера. Для обеспечения герметичности используется силиконовый герметик.

Перед подключением источника питания требуется провести расчет подаваемого напряжения. Его значение пропорционально площади и количеству пластин. Во время пробного запуска при недостаточной мощности заметно движение жидкости. В дальнейшем для перехода в рабочие режимы следует постепенно повышать мощность.

При отсутствии источника постоянного тока можно самостоятельно сделать схему мощного выпрямителя. Для этого понадобятся:

  1. резисторы, кОм — 2,7, 3, 10, 15, 30;
  2. диоды — Д232, Д226Б, Д814Б;
  3. транзисторы — МП26Б, П308;
  4. конденсатор, мкФ — 0,5;
  5. тиристор — КУ202Н;
  6. резистор переменный, кОм — 3…22;
  7. амперметр.

В заключение стоит отметить, что электролиз в домашних условиях — это доступный способ получать для дома и автомобиля водородный топливный ингредиент. Подключение самодельной установки не вызывает трудностей. Работать она может от постоянного тока и от переменного, но через выпрямитель.

Топливный элемент – что это такое и как работает?

Главная страница » Топливный элемент – что это такое и как работает?

Топливный элемент (Fuel Cell) — преобразователь химической потенциальной энергии (энергии молекулярных связей) в энергию электричества. Устройство содержит рабочую ячейку, где топливом выступает газообразный водород (H2) и кислород (O2). Продуктами реакции, происходящей внутри ячейки, являются вода, электричество и тепло. Технологически топливные элементы следует рассматривать более совершенными системами по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, электростанциями сжигания угля и даже атомными электростанциями, работа которых сопровождается выбросом вредных побочных продуктов.

Особенности уникальной технологии

Поскольку кислород в большом количестве присутствует в атмосфере, остаётся только добавить к топливному элементу водород. Это вещество достаточно легко получить процессом электролиза в одноимённом аппарате, именуемом — электролизёр.

Что такое электролизёр и как работает?

Электрохимическое устройство, где для разделения молекул на составляющие атомы используется электрический ток. Электролизёры широко используются под разделение воды на водород и кислород.

Методика электролиза является наиболее перспективным способом производства водорода очень высокой чистоты (99,999%) благодаря высокой эффективности и быстрому динамическому отклику по сравнению с некоторыми другими методами.

Водород, полученный электролизом, качественно чист и потому удачно подходит для применения в топливном элементе.

Какие разработаны конструкции электролизёров?

Подобно топливным элементам, электролизёры построены на основе двух электродов и размещённого между электродами ионопроводящего электролита. Такие аппараты различаются по типу используемого электролита.

Структурная схема электролизёра и внешний вид одного из промышленных вариантов: 1 – слой катализатора; 2 – диффузионный слой газа; 3 – биполярная пластина; 4 – протонообменная мембрана; 5 — уплотнение

Разработаны несколько различных типов электролизёров, уже используемых на практике либо находящихся на стадии внедрения. Двумя наиболее распространёнными типами электролизёров, производящих водород, являются:

  1. Щелочной электролизёр.
  2. Мембранный электролизёр.

Щелочной электролизёр

Этот вид устройства работает на жидком каустическом электролите (обычно 30% KOH). Щелочные электролизёры строятся на недорогих металлах (никель), выступающих в качестве катализатора и обладают достаточно надежной структурой.

Щелочные электролизеры производят водород чистотой 99,8%, функционируют при относительно низкой температуре и показывают высокий уровень производительности. Рабочее давление в установках может достигать 30 АТИ. При работе поддерживается низкая плотность тока.

Протонообменный мембранный (ПОМ) электролизер

Здесь основой выступает твёрдая полимерная мембрана. Устройство быстро набирает популярность по следующим причинам:

  • поскольку электролизёры ПОМ не имеют коррозионных электролитов, конструкции практически не подвержены утечке. Затраты на обслуживание существенно сокращаются;
  • дополнительное оборудование для удаления из водорода следов КОН не требуется.
  • работа при более высоких давлениях и высоких плотностях тока по сравнению с щелочными установками.

Устройство топливной ячейки

Четыре основных элемента топливной ячейки, оснащённой ПОМ:

  1. Анод.
  2. Катод.
  3. Электролит.
  4. Катализатор.

Анод, отрицательный электрод топливного элемента, имеет несколько рабочих точек. Анод проводит электроны, высвобождаемые из молекул водорода, подходящие для внешней электрической цепи. Тело анода имеет вытравленные каналы для равномерного распределения водородного газа в катализаторе.

Катод, положительный электрод топливного элемента, также имеет вытравленные каналы, благодаря которым распределяется кислород в катализаторе. Роль катода — проводка электронов от внешней электрической цепи в сторону катализатора.

В катализаторе электроны контактируют с ионами водорода и кислородом, а результатом контакта является образование воды.

Структурная схема функционирования топливной ячейки: 1 – линия ввода водорода; 2 – линия ввода кислорода; 3 – линия вывода воды; 4 – движение электронов; 5 – выделение тепла

Электролит является протонообменной мембраной. Этот специально обработанный материал, напоминающий внешне обычную пластиковую панель, с той лишь разницей, что такая панель способна проводить положительно заряженные ионы.

Мембраной же электроны блокируются. Для топливного элемента с ПОМ, мембрану необходимо обезвоживать, чтобы функциональность оставалась стабильной.

Катализатор представляет собой специальное устройство, усиливающее реакцию кислорода и водорода. Обычно катализатор изготавливается на основе платины, тонким слоем наносимой на углеродную бумагу или углеродное волокно.

Катализатор содержит пористую структуру, поэтому площадь поверхности платины максимально подвергается воздействию водорода или кислорода. Сторона катализатора, покрытая платиной, обращена к ПОМ.

Как работает ячейка топливного элемента?

Своеобразным «сердцем» ячейки топливного элемента является протонообменая мембрана (ПОМ). Этот компонент позволяет протонам проходить практически беспрепятственно, но электроны блокирует.

Таким образом, когда водород попадает в катализатор и расщепляется на протоны и электроны, протоны направляются прямиком к стороне катода, а электроны следуют через внешнюю электрическую цепь.

Соответственно, по пути электроны выполняют полезную работу:

  • зажигают электрическую лампу,
  • вращают вал электродвигателя,
  • заряжают аккумуляторную батарею и т.д.

Только проследовав такой путь, электроны объединяются с протонами и кислородом на другой стороне ячейки с последующим производством воды.

Полноценная система из нескольких топливных ячеек: 1 – газовый ресивер; 2 – радиатор охлаждения с вентилятором; 3 – компрессор; 4 – опорный фундамент; 5 – топливный элемент в сборе из нескольких ячеек; 6 – модуль промежуточного хранилища

Все эти реакции происходят в так называемом стеке одной ячейке. На практике обычно используется целая системы вокруг основного компонента, которая представляет собой стек из нескольких ячеек.

Стек встраивается в модуль, состоящий из частей:

  • управление топливом, водой и воздухом,
  • холодильное оборудование,
  • программное обеспечение для управления хладагентом.

Этот модуль затем интегрируется в полную систему, которую допустимо использовать для разных применений.

По причине высокого энергетического содержания водорода и высокой эффективности топливных элементов (55%), технологию допустимо использовать в разных областях.

Например, в качестве резервного питания для производства электроэнергии, когда нарушается работа основной электрической сети.

Очевидные преимущества технологии

Преобразуя химическую потенциальную энергию непосредственно в электрическую энергию, топливные элементы исключают образование «тепловых узких мест» (2-й закон термодинамики).

Следовательно, по своей природе эта технология видится более эффективной по сравнению с привычными двигателями внутреннего сгорания.

Так, схема ДВС изначально преобразует химическую потенциальную энергию в тепло, и только затем получается механическая работа.

Прямые выбросы топливных элементов — это простая вода и некоторое количество тепла. Здесь отмечается существенное улучшение по сравнению с теми же двигателями внутреннего сгорания, выделяющими, кроме всего прочего, ещё и парниковые газы.

Топливные элементы характерны отсутствием движущихся частей. Подобные конструкции всегда отличались повышенной надёжностью по отношению к традиционным двигателям.

Водород производится экологически безопасным способом, в то время как добыча и переработка нефтепродуктов являются очень опасными с точки зрения технологического производства.

Существующий тип топливных элементов?

Подобно аккумуляторным батареям и прочим электрохимическим продуктам, топливные элементы, помимо двух рабочих электродов, содержат электролит.

Существующие на текущий момент времени топливные элементы в первую очередь отличаются типом используемого электролита.

Ниже перечисляются наиболее распространенные топливные элементы, которые можно встретить на коммерческом рынке:

  • ПОМ (протонообменная мембрана) — PEM;
  • ПОМТЭ (топливный элемент с полимерной мембраной) — PEMFC;
  • ТОТЭ (твёрдооксидный топливный элемент) — SOFC;
  • РКТЭ (топливный элемент на расплавленном карбонате) — MCFC;
  • ЩТЭ (щелочной топливный элемент) — AFC;
  • ФКТЭ (топливный элемент на фосфорной кислоте) — PAFC;
  • ПМТЭ (топливный элемент прямого метанола) – DMFC.

Где найдут применение топливные элементы?

Большая и малая мощность резервного копирования для центров обработки данных, больниц, телекоммуникационных башен, банков, предприятий, промышленных зданий;

Стационарная мощность, например, комбинированная тепловая и тепловая энергия для домов или предприятий (ТЭЦ) и систем бесперебойного питания (ИБП);

Переносимое производство энергии для военных, промышленных предприятий или развлечений, таких как камеры и оборудование для наблюдения, ноутбуки, принтеры, смартфоны;

Транспортные средства, автомобили, автобусы, самолеты, подводные и надводные лодки, мотоциклы и велосипеды, вилочные погрузчики и т.п.

При помощи информации: Hydrogenics

КРАТКИЙ БРИФИНГ

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

Электролизер

Электролиз – химико-физическое явление по разложению веществ на компоненты посредством электротока, которое широко применяется в производственных целях. На основе этой реакции изготавливаются агрегаты для получения, например, хлора или цветных металлов.

Электролизная установка, состоящая из пластин

Постоянный рост цен на энергетические ресурсы сделал популярными электролизные установки бытового назначения. Что представляют собой такие конструкции, и как их изготовить дома?

Общая информация об электролизере

Электролизная установка – устройство для электролиза, требующее внешний энергоисточник, конструктивно состоящее из нескольких электродов, которые помещены в заполненную электролитом емкость. Также такая установка может называться устройством для расщепления воды.

В подобных агрегатах основным техническим параметром является производительность, которая означает объем вырабатываемого водорода за час и измеряется в м³/ч. Стационарные агрегаты несут этот параметр в наименовании модели, например, мембранная установка СЭУ-40 вырабатывает за час 40 куб. м водорода.

Внешний вид стационарного промышленного агрегата СЭУ-40

Прочие характеристики таких устройств полностью зависят от целевого назначения и вида установок. Например, при осуществлении электролиза воды КПД агрегата зависит от нижеследующих параметров:

  1. Уровень наименьшего электродного потенциала (электронапряжения). Для нормального функционирования агрегата эта характеристика должна находиться в диапазоне 1,8-2 В на одну пластину. Если источник электропитания имеет напряжение в 14 В, то емкость электролизера с электролитным раствором имеет смысл разделить листами на 7 ячеек. Подобная установка называется сухим электролизером. Меньшее значение не запустит электролиз, а большее – сильно увеличит расход энергии;

Размещение пластин в ванне электролизной установки

  1. Чем меньше будет расстояние между пластиночными компонентами, тем меньше будет сопротивление, что при прохождении большого тока приведет к увеличению выработки газового вещества;
  2. Площадь поверхности пластин напрямую оказывает влияние на производительность;
  3. Тепловой баланс и степень концентрации электролита;
  4. Материал электродных элементов. Золото является дорогим, но идеальным материалом для применения в электролизерах. Из-за его дороговизны часто применяют нержавеющую сталь.

Важно! В конструкциях другого типа значения будут иметь иные параметры.

Установки для электролиза воды могут также использоваться для таких целей, как обеззараживание, очистка и оценка качества воды.

Принцип работы и виды электролизера

Самое простое устройство имеют электролизеры, которые расщепляют воду на кислород и водород. Они состоят из емкости с электролитом, в которую помещаются электроды, подключенные к энергоисточнику.

Конструкция простейшей электролизной установки

Принцип работы электролизной установки заключается в том, что электроток, который проходит через электролит, имеет напряжение, достаточное для разложения воды на молекулы. Результат процесса – анод выделяет одну часть кислорода, а катод производит две части водорода.

Виды электролизеров

Устройства для расщепления воды бывают нижеследующих видов:

  1. Сухие;
  2. Проточные;
  3. Мембранные;
  4. Диафрагменные;
  5. Щелочные.

Сухой тип

Такие электролизеры имеют самую простую конструкцию (картинка выше). Им присуща особенность, которая заключается в том, что манипуляция с числом ячеек дает возможность запитать агрегат от источника с любым напряжением.

Проточный тип

Эти установки имеют в своей конструкции полностью залитую электролитом ванну с электродными элементами и баком.

Устройство простого электролизера проточного типа, где А – ванна с электродами, D – бак, В, Е – трубки, С – выходной клапан

Принцип работы проточной электролизной установки нижеследующий (по картинке выше):

  • при протекании электролиза электролит вместе с газом через трубу «В» выдавливается в бак «D»;
  • в емкости «D» протекает процесс по отделению газа от электролита;
  • газ выходит через клапан «С»;
  • электролитный раствор возвращается через трубку «Е» в ванну «А».

Интересно знать. Такой принцип работы настроен в некоторых сварочных аппаратах – горение выделяемого газа позволяет сваривать элементы.

Мембранный тип

Электролизная установка мембранного типа имеет схожую конструкцию с другими электролизерами, однако в качестве электролита выступает твердое вещество на полимерной основе, которое именуется мембраной.

Конструкция мембранного электролизера

Мембрана в таких агрегатах имеет двойное назначение – перенос ионов и протонов, разделение электродов и продуктов электролиза.

Диафрагменный тип

Когда одно вещество не может проникать и влиять на другое, применяют пористую диафрагму, которая может изготавливаться из стекла, полимерных волокон, керамики либо асбестового материала.

Устройство диафрагменного электролизера, где 1 – выход для кислорода, 2 – колба, 3 – выход для водорода, 4 – анод, 5 – катод, 6 – диафрагма

Щелочной тип

Протекать электролиз в дистиллированной воде не может. В таких случаях необходимо использовать катализаторы, которыми выступают щелочные растворы высокой концентрации. Соответственно, основную часть электролизных устройств можно назвать щелочными.

Важно! Стоит отметить, что использование соли в качестве катализатора вредно, так как при протекании реакции выделяется газообразный хлор. Идеальным катализатором может выступать гидроксид натрия, который не разъедает железные электроды и не способствует выделению вредных веществ.

Самостоятельное изготовление электролизера

Изготовить электролизер своими руками может каждый человек. Для процесса сборки самой простой конструкции потребуются нижеследующие материалы:

  • лист нержавейки (идеальные варианты – зарубежная AISI 316L или отечественная 03Х16Н15М3);
  • болты М6х150;
  • шайбы и гайки;
  • прозрачная трубка – можно применять водяной уровень, который используется в строительных целях;
  • несколько штуцеров типа «елочка» с внешним диаметром 8 мм;
  • контейнер из пластика объемом 1,5 л;
  • небольшой фильтрующий проточную воду фильтр, например, фильтр для стиральных машин;
  • обратный водный клапан.

Процесс сборки

Собирать электролизер своими руками следует по следующей инструкции:

  1. Первым делом необходимо осуществить разметку и дальнейшую распилку листа нержавейки на равные квадраты. Распилка может осуществляться угловой шлифовальной машинкой (болгаркой). Один из уголков в таких квадратах должен быть спилен под углом для верного скрепления пластин;
  2. Далее потребуется просверлить отверстие для болта на противоположной от углового спила стороне пластины;
  3. Соединение пластин необходимо производить поочередно: одна пластина на «+», следующая на «-» и так далее;
  4. Между разно заряженными пластинами должен находиться изолятор, которым выступает трубка от водяного уровня. Ее необходимо разрезать на кольца, какие следует разрезать вдоль для получения полосок толщиной 1 мм. Такого расстояния между пластин достаточно для эффективного выделения газа при электролизе;
  5. Скрепление пластин вместе осуществляется посредством шайб следующим образом: на болт насаживается шайба, потом – пластина, далее – три шайбы, после – пластина и так далее. Пластины, положительно заряженные, располагаются зеркально отрицательно заряженных листов. Это позволяет не допустить задевание электродов спиленными краями;

Собранные вместе пластины электролизной установки

  1. Собирая пластины, следует сразу выполнять их изоляцию и затяжку гаек;
  2. Также каждую пластину нужно прозвонить для того, чтобы убедиться в отсутствии короткого замыкания;
  3. Далее всю сборку требуется поместить в бокс из пластика;
  4. После этого надо отметить места касания болтов о стенки контейнера, где и просверлить два отверстия. Если болты не влезают в емкость, то их необходимо подрезать ножовкой;
  5. Далее болты затягиваются гайками и шайбами для герметичности конструкции;

Пластины, помещенные в пластиковый контейнер

  1. После проделанных манипуляций потребуется сделать отверстия в крышке контейнера и вставить в них штуцера. Герметичность в данном случае можно обеспечить посредством промазки швов герметиками на основе силикона;
  2. Защитный клапан и фильтр в конструкции располагаются на выходе газа и служат средством контроля чрезмерного его скопления, которое может привести к плачевным последствиям;
  3. Электролизная установка собрана.

Заключительный этап – тестирование, которое осуществляется таким образом:

  • заполнение водой емкости до уровня крепежных болтов;
  • подключение питания к прибору;
  • подключение к штуцеру трубки, противоположный конец которой опускается в воду.

Если будет подан на установку слабый ток, то выпускание газа через трубку будет почти незаметно, однако внутри электролизера его можно будет наблюдать. Повышая электрический ток, добавляя щелочной катализатор в воду, можно существенно увеличить выход газового вещества.

Изготовленный электролизер может выступать составной частью многих устройств, например, водородной горелки.

Внешний вид водородной горелки, основой которой является собственноручно изготовленный электролизер

Зная типы, основные характеристики, устройство и принцип работы электролизных установок, можно осуществить правильную сборку самодельной конструкции, которые будет являться незаменимым помощником в различных бытовых ситуациях: от сварки и экономии расхода топлива автотранспорта до работы систем отопления.

Видео

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий