Что такое генератор водорода и как его сделать своими руками

Двигатель на водородном топливе

Есть две перспективы. Первая (краткосрочная) — необходимо добиться большей эффективности использования нефтетоплива, долгосрочная — решением может стать переключение транспортных средств с бензиновых/дизельных двигателей на электрические топливные элементы (электрохимические генераторы), работающие на водороде, которые никогда не разряжаются. Бесшумные, не загрязняющие окружающую среду, это одни из самых экологически чистых источников энергии, когда-либо разработанных. Разберёмся, как они работают.

Есть два способа заставить современный автомобиль двигаться:

1. Использовать двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В процессе сжигания нефотетоплива вырабатывается тепло, благодаря чему транспортное средство может ехать.
2. Электромобили работают совершенно по-другому. Там используются аккумуляторы, которые подают электроэнергию на электродвигатели, напрямую приводящие в движение колеса.

Есть гибридные автомобили, сочетающие оба варианта, водитель может переключатся между ними в соответствии с условиями вождения. Устройство водородного двигателя — нечто среднее между ДВС и аккумулятором. Он вырабатывает энергию, используя топливо из бака (газообразный водород под давлением, а не бензин или дизель). Процесса сжигания нет, H2 химически соединяется с кислородом из воздуха, образуя воду. Высвобождаемое электричество используется для питания электродвигателя. Никаких выхлопных газов.

Что происходит внутри

В основе принципа действия водородного двигателя лежит электрохимическая реакция. Состав топливного элемента — это три основные части:

• положительно (желтая) и отрицательно (сиреневая) заряженные клеммы;
• электролит (серый).

Электричество возникает следующим образом:

1. Газообразный H2 из резервуара подаётся к положительному полюсу. Поскольку вещество взрывоопасно, бак должен быть чрезвычайно прочным.
2. Кислород из воздуха (голубые капли) идёт по второй трубке.
3. Положительная клемма металлическая (платина или палладий). Достигая катализатора, атомы H2 распадаются на ионы и электроны.
4. Положительно заряженные протоны притягиваются к отрицательному полюсу, двигаясь к нему через электролит. Последний представляет собой тонкую полимерную мембрану.
5. Электроны проходят через внешнюю цепь.
6. Приходит в действие электродвигатель, заставляющий колёса автомобиля двигаться.
7. На отрицательной клемме протоны и электроны рекомбинируют с кислородом путём химической реакции, которая производит воду.
8. Выхлоп — водяной пар.

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока есть запасы H2 и O2. Поскольку воздух всегда доступен, единственный ограничивающий фактор — количество водорода H2 в баке.

Практическое использование водородного двигателя

Производство водорода H2 путём электролиза требует довольно много энергии. Это проблема, поскольку объём топливного бака придётся увеличить. Облегчить конструкцию можно, если использовать углепластик, что сильно увеличивает стоимость. Другой минус водородных двигателей — водород трудно хранить длительное время, его чрезвычайно маленькие молекулы легко просачиваются, а утечка может привести к возгоранию.

Ещё один отрицательный момент — энергоэффективность, КПД такого движка не превысит 30%, тогда как для электромобилей этот показатель достигает 70-80%. Плюс ко всему трудно найти заправку.

Преимущества тоже есть. Заправить машину можно за 5 минут, тогда как зарядка электромобиля занимает от получаса до 12 часов. У транспортных средств на топливных элементах такой же запас хода, как у обычных газовых машин, хотя их характеристики с возрастом ухудшаются. Но главный плюс — экологичность.

Особенности водородного генератора

Чистый водород выделяется в ходе разнообразных химических реакций, но такой способ его добычи является довольно сложным, а зачастую и слишком дорогим.

Исключение составляют технологические процессы, при которых газ образуется как побочный продукт, но такое его производство имеет пока мизерные объемы.

Гораздо проще выделять водород из воды, пропуская через нее электрический ток – этот процесс и называют электролизом. Сначала молекула Н2О распадается на атом водорода Н и гидроксогруппу ОН, затем происходит окончательное разделение кислорода и водорода.

Первый, имея отрицательный заряд, устремляется к аноду, второй – к катоду. Элементы накапливаются в виде пузырьков, которые, достигнув определенного размера, отрываются от электрода и всплывают. Далее кислород и водород без всякого разделения (эта смесь получила название «газа Брауна») поступают в горелку, где в процессе сжигания снова превращаются в воду. Чтобы подача готового продукта происходила без затруднений, водородные генераторы часто оборудуют воздушным дренажом.

Очевидно, что производительность установки будет возрастать с увеличением площади контакта между водой и электродами. По этой причине последние выполняют в виде пластин. Они собираются в конструкции, напоминающие стальные ребристые радиаторы отопления.

Скорость выделения водорода зависит и от материала электродов.

Вместо меди или нержавеющей стали в современных «продвинутых» генераторах применяют особые сплавы, которые стоят достаточно дорого.

Еще одно условие – вода должна пропускать ток. Отметим, что в дистиллированном виде она является диэлектриком. Проводником электричества эту жидкость делают ионы, на которые распадаются растворенные в ней вещества, в первую очередь соли. Чем более крутым является раствор, тем лучше он будет пропускать ток.

С увеличением размеров электрода уменьшается мощность выделения тепла при пропускании через него электрического тока. Это очень важный момент, поскольку при нагреве свыше 65 градусов пластины интенсивно покрываются налетом, который придется постоянно счищать.

Описание и принцип работы водородного генератора

Есть несколько методик выделения водорода и из других веществ, перечислим наиболее распространенные:

1. Электролиз, данная методика наиболее простая и может быть реализована в домашних условиях. Через водный раствор, содержащий соль, пропускается постоянный электрический ток, под его воздействием происходит реакция, которую можно описать следующим уравнением: 2NaCl + 2H2O→2NaOH + Cl2 + H2↑. В данном случае пример приведен для раствора обычной кухонной соли, что не лучший вариант, поскольку выделяющийся хлор является ядовитым веществом. Заметим, что полученный данным способом водород наиболее чистый (порядка 99,9%).
2. Путем пропускания водяного пара над каменноугольным коксом, нагретым до температуры 1000°С, при таких условиях протекает следующая реакция: Н2О + С ⇔ СО↑ + H2↑.
3. Добыча из метана путем конверсии с водяным паром (необходимое условие для реакции – температура 1000°С): СН4 + Н2О ⇔ СО + 3Н2. Второй вариант – окисление метана: 2СН4 + О2 ⇔ 2СО + 4Н2.
4. В процессе крекинга (переработки нефти) водород выделяется в качестве побочного продукта. Заметим, что в нашей стране все еще практикуется сжигание этого вещества на некоторых нефтеперерабатывающих заводах ввиду отсутствия необходимого оборудования или достаточного спроса.

Из перечисленных вариантов последний наименее затратный, а первый наиболее доступный, именно он положен в основу большинства генераторов водорода, в том числе и бытовых. Их принцип действия заключается в том, что в процессе пропускания тока через раствор, положительный электрод притягивает отрицательные ионы, а электрод с противоположным зарядом – положительные, в результате происходит расщепление вещества.

О законе сохранения энергии

Этот закон гласит, что все в мире взаимосвязано: если где-то убыло, то куда-то обязательно прибудет. И чтобы посредством электролиза можно было получить газ, определенное количество электрической энергии затратить все же придется. А энергия, как известно, получается преимущественно в результате создания тепла при сгорании иных типов топлива. И пусть даже мы возьмем чистую энергию, необходимую для генерирования электричества, и ту, что дает водород после сгорания, то потери будут двукратными (как минимум!) даже на самом современном оборудовании. Выходит, 1/2 средств просто выбрасывается на ветер. Более того, это лишь расходы, связанные с эксплуатацией, а стоимость оборудования, которое, как отмечалось, недешевое, не учитывается. Вспомним хотя бы водородные генераторы.

Если верить исследованиям, проведенным в Америке, то цена одного килограмма водорода (вернее, расходы на его создание) равна:

• 6,5 доллара при использовании промышленной электрической сети;
• 9 долларов при эксплуатации ветряных генераторов;
• 20 долларов в случае применения солярных приборов;
• 2,2 доллара при использовании твердого топлива;
• 5,5 доллара, если вещество производится из биомассы;
• 2,3 доллара, если речь идет об электролизе при высокой температуре, осуществляемом на атомной станции (самый дешевый способ, но самый далекий от обычного бытового применения).

Обратите внимание! Даже самый продвинутый генератор бытового типа будет значительно уступать по всем параметрам аналогичному промышленному прибору. Поэтому, ввиду описанных цен, говорить о том, что водород может составить серьезную конкуренцию природному газу, нельзя. То же относится и к электроэнергии, дизелю и даже тепловым насосам

То же относится и к электроэнергии, дизелю и даже тепловым насосам.

Перспективы водородной энергетики ↑

Есть ли реальные пути серьёзного снижения себестоимости чистого Hydrogenium? Конечно. Это, в первую очередь, получение дешёвого электричества из возобновляемых источников. Во-вторых, применение более совершенных химических катализаторов процесса. Они, кстати, давно известны и применяются в автомобильных топливных водородных ячейках. Но опять всё упирается в слишком большую их стоимость.

Реально полезное применение альтернативной энергетики: серийное газосварочное устройство со встроенным водородным реактором. В данном случае стоимость газа не имеет решающего значения, для сварщика имеет значение то, что вместо неудобных в транспортировке баллона и сварочника он имеет один относительно небольшой и лёгкий ящик

Наука идёт вперёд, техника совершенствуется. Когда-нибудь нефть закончится и человечеству придётся перейти на иные источники энергии. Пока же можно с уверенностью сказать — водородная энергетика убыточна (за исключением тех случаев, когда горючий газ является побочным продуктов технологических процессов), а программы развития водородного транспорта возможны только благодаря государственным и корпоративным программам поддержки альтернативной энергетики.

Муниципалитеты крупных немецких городов компенсируют транспортным компаниям все убытки, чтобы эти прекрасные гидрогениумные автобусы перевозили пассажиров, не отравляя окружающую среду

Корпус генератора водорода

Корпус генератора водорода

Электроды для сбора газа необходимо поместить внутрь контейнера с герметично изолированными разъемами, крышкой и другими соединениями. Контейнер изначально должен быть пищевым и стойким к высоким температурам.

Если контейнер металлический, электроды следует закрепить на пластиковой основе для предотвращения короткого замыкания. Два разъема можно установить с двух сторон медных и латунных фитингов, которые применяются для извлечения газа. Фитинги и контактные разъемы прочно крепятся с применением силиконового герметика, чтобы закрытый контейнер получился совершенно герметичным.

Акции компаний, работающих с водородом

Если водороду суждено занять основное место в энергетической системе будущего, тогда инвесторам стоит обратить внимание на перечисленные ниже компании. Каждая из них либо работает с водородом, либо изготавливает компоненты и оборудование для водородных систем

Ballard Power Systems Inc

Ballard Power Systems Inc (NASDAQ: BLDP) была основана в 1979 году геофизиком Джеффри Баллардом (Geoffrey Ballard). Компания занимается производством топливных элементов и продуктов для них.

В Ballard Power разработали жидкий химический состав, который можно будет заливать в топливный бак автомобиля, а затем в специальном реакторе из данного раствора будет выделяться водород, необходимый для получения электричества. Для хранения данного химического состава подойдут резервуары, используемые на АЗС. Вопрос только в объёмах производства.

График акций Ballard Power Systems Inc (NASDAQ: BLDP)

К сожалению, Ballard Power Systems является убыточной и руководство не даёт прогнозов по выходу на чистую прибыль.

FuelCell Energy, Inc.

Следующей компанией, на которую стоит обратить внимание, является FuelCell Energy (NASDAQ: FCEL). Компания FuelCell Energy занимается производством экологически чистого водорода и топливных элементов

С чистым водородом дела обстоят сложнее, чем с жидкостью от Ballard Power. Водород взрывоопасен и летуч. Его необходимо хранить в сжатом или жидком виде, что требует дополнительного оборудования для его сжижения и хранения. Но, с другой стороны, для хранения водорода на действующих АЗС после их модернизации могут подойти ёмкости, которые сейчас используются для хранения метана и пропана.

FuelCell Energy также является убыточной, и здесь все надежды только на активное развитие отрасли в будущем. Акции компании с корректировались на 40% от максимальных цен, достигнутых в феврале 2021 года. Для долгосрочных инвесторов это может оказаться хорошей возможностью для покупки акций.

График акций FuelCell Energy (NASDAQ: FCEL)

Plug Power Inc.

Ещё одним ярким представителем данного сектора является компания Plug Power (NASDAQ: PLUG), акции которой за 6 месяцев взлетели в цене более чем на 1300%. Компания занимается разработкой систем водородных топливных элементов, которые заменяют обычные аккумуляторы на оборудовании и транспортных средствах, работающих от электричества.

Падение стоимости акций от максимальных значений на 48% привело к негативной реакции участников рынка, и сейчас против компании возбуждаются коллективные иски инвесторов, которые утверждают, что руководство Plug Power ввело их в заблуждение

Если обратить внимание на новостную ленту Yahoo Finance, то там можно увидеть только предупреждение юридических фирм о сроках подачи исков к компании Plug Power

Новостная лента Yahoo Finance

Plug Power, как и компании представленные выше, тоже является убыточной. Данные с сайта macrotrends.net от 2006 года показывают, что лишь в 2014 году компания смогла выйти на чистую прибыль в размере 4 млн USD, всё остальное время компания демонстрировала только убытки.

График акций Plug Power (NASDAQ: PLUG)

Nikola Corporation

Затрагивая тему водорода, невозможно обойти стороной скандально известную компанию Nikola Corporation (NASDAQ: NKLA), которая пытается сделать электрогрузовик, работающий на водороде.

В 2016 году публике был представлен концепт грузовика на водородных топливных элементах, которые вырабатывают электричество, необходимое для его движения. На одной заправке водородом электрогрузовик Nikola One может преодолеть 1 200 миль (1 900 км), что пока недосягаемо для электрогрузовика от Tesla.

График акций Nikola Corporation (NASDAQ: NKLA)

Другие компании

Есть и другие компании, которые взаимодействуют с водородом, и развитие отрасли может позитивно отразиться на их доходах. К таким компаниям относятся:

1. Air Products & Chemicals (NYSE: APD)
2. Bloom Energy (NYSE: BE)
3. Linde PLC (NYSE: LIN)
4. DuPont de Nemours Inc (NYSE: DD)

Как выполнить электролизер собственными руками?

Современные электролизеры широко применяются в сфере промышленности. Сделаны такие устройства для участия в выработке активных металлов. В особенности, можно подчеркнуть магний. Выполняется это благодаря электролизу. Также указанное устройство способно принимать участие в получении активных неметаллов. Из них необходимо выделить хлор и фтор.

Автолюбители также применяют электролизы для того, чтобы увеличить устойчивость металла. При этом на его поверхности образуется специализированный слой защиты. От ржавчины металла защитить автомобиль он может. Есть модели разных видов, и, чтобы без посторонней помощи собрать электролизер водорода собственными руками, нужно познакомиться с ключевыми конфигурациями.

Выгодно ли получать водород в домашних условиях

Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:

• использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
• бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
• применять для газосварочных работ.

Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.

Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:

1. Конечная цена установки, низкая производительность и КПД делает крайне невыгодным сжигание водорода для отопления частного дома. Чем «наматывать» счетчик электролизером, проще поставить любой из электрокотлов – ТЭНовый, индукционный либо электродный.
2. Чтобы заменить 1 л бензина для автомобиля, потребуется 4766 литров чистого водорода или 7150 л гремучего газа, треть которого составляет кислород. Самый завравшийся изобретатель в интернете еще не сделал электролизер, способный обеспечить подобную производительность.
3. Газосварочный аппарат, сжигающий hydrogen, компактнее и легче баллонов с ацетиленом, пропаном и кислородом. Плюс температура пламени до 3000 °С позволяет работать с любыми металлами, стоимость получения горючего здесь особой роли не играет.

Универсальная схема водородного генератора

Тем, у кого нет способностей к конструированию, водородный генератор для автомобиля можно купить у народных умельцев, поставивших на поток сборку и установку таких систем. Сегодня есть множество таких предложений. Стоимость агрегата и установки составляет порядка 40 тысяч рублей.

Но можно собрать такую систему и самостоятельно – сложного в ней нет ничего. Состоит она из нескольких простых элементов, соединённых в одно целое:

1. Установки для электролиза воды.
2. Накопительного резервуара.
3. Улавливателя влаги из газа.
4. Электронного блока управления (модулятора тока).

Ниже приведена схема, по которой можно легко собрать водородный генератор своими руками. Чертежи главной установки, производящей газ Брауна, достаточно просты и понятны.

Схема не представляет какой-либо инженерной сложности, повторить её может каждый, кто умеет работать с инструментом. Для автомобилей с инжекторной системой подачи топлива необходимо еще установить контроллер, регулирующий уровень подачи газа в топливную смесь и связанный с бортовым компьютером автомобиля.

Простой генератор своими руками

Чтобы сэкономить топливо, можно воспользоваться водородным генератором, который реально собрать самостоятельно. Итак, давайте соберем устройство и сэкономим наши деньги. Что бы его собрать, необходимо запастись необходимым материалом и деталями:

1. Емкость из полиэтилена (можно использовать канистру);
2. Электроды и пластины;
3. Провода для соединения;
4. Хомуты для крепления соединении и шланги для подачи жидкости;
5. Для создания герметичности необходимо запастись герметичной лентой и или каким-нибудь герметиком;
6. Резинка из силикона.

Чтобы создать генератор, необходимо взять емкость и поместить в нее пластины. Чтобы емкость не повредилась во время тряски, ее корпус должен быть прочным. Для упрочнения можно приклеить к поверхности емкости полоски из оргстекла или сделать ребра жесткости из полиэтилена.

В крышке емкости проделайте отверстия и проведите сквозь них провода к пластине. Лучше сделать крышку быстросъемную, чтобы обеспечить в будущем беспрепятственное пополнение воды, но не забывайте, что крышка должна закрываться герметично. В качестве герметичного материала можно использовать силиконовую прокладку толщиной не больше 1 миллиметра. Так вы избежите потерь газа.

Для подачи газа во впускной коллектор необходимо сделать отверстие в крышке и подсоединить к нему трубку. А чтобы избежать потерь электроэнергии, желательно использовать качественный изоляционный материал. Далее нужно собрать блок управления. Для этого необходимо немного понимать принципы радиоэлектронике.

Если навыков нет, то можно блок заказать у специалиста (это все равно дешевле, нежели его купить в магазине). Блок управления самостоятельно контролирует силу тока, которую необходимо подавать на пластины в зависимости от работы мотора. Изначально посредством опытных попыток установите силу тока на пластины в режиме холостого хода и в момент максимальной скорости. Так вы создадите границы минимума и максимума генератора.

Также есть генератор с ручным приводом, но гораздо удобнее использовать автоматизированный. После того, как генератор будет установлен, необходимо тщательно проверить все соединения на потери. Проверять можно, используя мыльную пену. Пена наносится на соединение и если есть утечка, пузыри дадут про это знать. Утечка влияет не только на вашу первоначальную цель – экономию средств, но также утечка водорода может стать причиной возгорания автомобиля.

Чтобы сэкономить немного средств на топливе, не нужно знать много. Водородный генератор вам в этом поможет

Важно понимать, что во время работы генератора происходит выработка газа, а газ – взрывоопасен. Поэтому необходимо с максимальной ответственностью отнестись к этому процессу

Желаю удачи и высокой экономии.

Немного истории

Принцип действия водородной энергии был отмечен еще в древние времена. Известный врачеватель Парацельс при проведении своих научных экспериментов заметил, что при соединении некоторых элементов образуются пузырьки, которые он в то время принял за воздух. Позже выяснилось, что это был водород, представляющий собой газ без цвета, при определенных условиях проявляющий взрывные свойства.

В настоящее время водород научились использовать в разных целях, в том числе – для отопления жилого дома или любых других сооружений. Эти технологии активно развивают и внедряют во множестве отраслей. Являясь новшеством на рынке научных разработок, обогрев водородом уже заинтересовал многих потребителей и продолжает набирать популярность среди широких масс.

Доказано, что водород считается не только довольно распространенным, но и легкодоступным веществом. Единственная сложность – его приходится добывать из химических соединений, чаще всего – воды.

Как работает собранная конструкция?

На Шим подается напряжение, регулятор образует напряжение с необходимой частотой. От того какая будет частота, зависит плодотворность выработки газа. Затем напряжение подается на нержавеющие трубки или пластины, в которых находится вода. В них, под действием тока, выделяется «гремучка». Далее она поступает по гибким трубкам в емкость осушителя. А уже из осушителя, газ подается в контур подачи воздуха.

Такую установку можно применять для отапливания: гаражных кооперативов, загородных домов, все зависит от полета вашей фантазии. Чтобы применить данную установку для отапливания дома, нужно переделать твердотопливный котел или газовый, под газ Брауна. Если вы все-таки надумаете собирать и активно использовать данную самодельную установку, то вы получите дешевое топливо. И экологически чистый продукт, который не загрязняет воздух. При сборке генератора газа Брауна, у вас будут возникать вопросы. Здесь мы ответим на наиболее часто задаваемые вопросы.

Какую воду использовать, обычную водопроводную или дистиллированную?

Можно использовать водопроводную воду, если в ней нет тяжелых металлов или дистиллированную. Но лучший эффект достигается при использовании раствора гидроксида натрия, добавленного в дистиллированную воду. Необходимо соблюсти пропорцию, на десять литров воды нужно добавить одну столовую ложку гидроксида натрия и тщательно размешать.

Какой металл использовать?

В разных пособиях и руководствах, пишут о том, что необходимо использовать только редкие металлы.

Вас вводят в заблуждение. Можно использовать любую нержавеющую сталь. Самые хорошие результаты при работе со сталью, показала ферромагнитная сталь, которая не притягивает частицы ненужного мусора. Еще один важный момент, главное, при выборе металла, отдать предпочтение нержавеющей стали, и чтобы она не была подвержена окислению.

Насколько долговечны пластины электродов?

Менять пластины на новые нет надобности, так как при работе они совсем не разрушаются.

Что нужно сделать, чтобы подготовить пластины для электродов? И как правильно это сделать?

В первую очередь, перед сборкой пластин их необходимо очень тщательно промыть в мыльном растворе, а потом обработать их поверхность спиртосодержащим веществом (водкой или спиртом). Электролизер некоторое время необходимо «погонять», периодически заменяя грязную воду, на чистую. Продолжаем до тех пор, пока вода не вымоет всю грязь. Если вода будет достаточно чистая, то установка нагреваться не будет.

Если вы собрали электролизер правильно, то при его использовании вода и пластины нагреваться не будут

Важно не перегревать электролизер выше 65 градусов. Если температура поднимется выше указанной температуры, то к пластинам пристанет грязь, металлы с минералами. И их придется удалять при помощи наждачной бумаги или заменять их на новые

И их придется удалять при помощи наждачной бумаги или заменять их на новые.