Я хочу использовать эту схему ШИМ-контроллера двигателя для управления водородом при производстве ячейки hho на тестовом генераторе.

Наддув Hho на двигателях автомобилей также может быть протестирован, поэтому я хочу использовать стандартную схему pwm, которая сможет протестировать производство hho как для малых, так и для более крупных двигателей.

Было бы целесообразно начать с начала и использовать, например, более мощный МОП-транзистор 12 В 55 А плюс дополнительную защиту на стороне нагрузки? Что ты посоветуешь?

И последнее, но не менее важное: знаете ли вы или знаете о производстве газа hho путем использования цепи резонансной частоты для создания гармонического резонанса или колебаний путем использования микросхемы таймера 555 и регулируемого потенциометра в цепи для установки частота контура на собственной частоте воды в ячейке hho, которая действует как водяная шапка и разделяет молекулы воды на газовую смесь водорода и кислорода без использования какого-либо электролита в ячейке hho для проводимости.Или, если вы знаете схему, которая хорошо работает в этом отношении, не могли бы вы сообщить мне, где я смогу ее найти.

Спасибо за ваши ценные знания в области электроники и бескорыстный вклад, мы все очень благодарим вас за это. С наилучшими пожеланиями, Даан

Обрезка видео:

Возможно, вы знакомы с тем, как работает прибор на топливных элементах Стэнли Мейера и как он может генерировать газ HHO с минимальным потреблением .

Согласно теории, предложенной Стэнли Мейером (изобретателем схемы газогенератора HHO), его устройство можно было использовать для генерации газа HHO намного эффективнее, так что мощность, используемая для генерации, могла быть намного меньше, чем мощность, производимая при зажигании газа и для преобразования результатов в конкретное желаемое механическое воздействие.

Приведенное выше утверждение явно противоречит стандартным законам термодинамики, согласно которым никакое преобразование энергии из одной формы в другую не может превышать исходную форму, фактически преобразованная энергия всегда будет меньше, чем исходный источник энергии.

Однако у ученого, похоже, есть доказательства, которые фактически подтверждают его утверждение о способности его изобретения к сверхединичности.

Как и большинство из вас, я лично очень уважаю законы термодинамики и, скорее всего, буду придерживаться их и мало верю в такие пустые утверждения, сделанные многими исследователями, независимо от того, какие доказательства они могут представить, они могут можно манипулировать или подделывать с помощью множества скрытых методов, кто знает.

Сказав это, всегда очень весело анализировать, исследовать и проверять обоснованность таких утверждений и выяснять, есть ли в них какие-либо следы истины, в конце концов, научный закон может быть нарушен только другим научным законом, который может быть нарушен. более оснащенный, чем традиционный аналог.

HHO посредством электролиза

Что касается образования газа HHO, мы все знаем об основных принципах, что его можно просто получить путем электролиза воды, а полученный газ будет иметь свойство быть чрезвычайно легковоспламеняющимся и легковоспламеняющимся. способен генерировать энергию в виде взрыва при внешнем воспламенении.

Мы также знаем, что электролиз воды можно проводить, применяя разность потенциалов (напряжение) внутри воды, вставляя два электрода, подключенных к внешней батарее или источнику питания постоянного тока.Процесс вызовет эффект электролиза внутри воды, генерирующий кислород и водород над двумя погруженными электродами.

Наконец, образовавшийся газообразный кислород и водород вместе можно пропустить по трубам, соответствующим образом выведенным из емкости для электролиза, в другую камеру для сбора.

Собранный газ затем можно использовать для выполнения механического воздействия посредством внешнего возгорания. Например, этот газ обычно и широко используется для улучшения характеристик автомобильных двигателей путем подачи его в камеру сгорания через воздухозаборную трубу для повышения эффективности оборотов двигателя примерно на 30% или даже более.

Закон термодинамики

Однако противоречие и сомнения относительно концепции начинают возникать, когда мы изучаем закон термодинамики, который просто отвергает вышеуказанную возможность, потому что согласно закону энергия, необходимая для электролиза, будет намного выше, чем полученная энергия. через зажигание газа HHO.

Это означает, что, если предположить, например, что процедура электролиза требует разности потенциалов 12 В при токе 5 ампер, потребление может быть рассчитано как около 12 x 5 = 60 Вт, и когда образовавшийся газ из системы воспламенится, это не произойдет. Он не дает эквивалентной мощности в 60 Вт, а, возможно, лишь малую часть этой мощности, около 20 или 40 Вт.

Stanley Meyer Concept

Однако, по словам Стэнли Мейера, его устройство на топливных элементах HHO опиралось на новаторскую теорию, которая способна обходить термодинамический барьер без противоречия ни одному из правил.

Его новаторская идея заключалась в использовании резонансной техники для разрыва связи h3O в процессе электролиза. Электронная схема (довольно низкотехнологичная по сравнению с теми, которые у нас есть сегодня), которая использовалась для электролиза, была разработана, чтобы заставить молекулы воды колебаться на их резонансной частоте и распадаться на газ HHO.

Этот метод позволял потреблять минимальную энергию (в амперах) для генерации газа HHO, тем самым давая гораздо более высокий коэффициент эквивалентного выделения энергии во время воспламенения газа HHO.

Эффект резонанса

Однако мудрый аналитик и исследователь быстро понял технику, использованную Стэнли Мейером, и после тщательной проверки схемы полностью исключил любой резонансный эффект в процессе, по его словам, слово «резонанс» «использовался Стэнли только для того, чтобы ввести массы в заблуждение, чтобы действительная концепция или теория его системы могла оставаться скрытой и запутанной.

Я ценю вышеизложенное открытие и согласен с тем фактом, что в наиболее эффективных топливных элементах HHO, изобретенных до сих пор, не требуется никакого резонансного эффекта.

Секрет заключается в простом введении высокого напряжения в воду через электроды … и это не обязательно должно вызывать колебания, для инициирования генерации больших количеств HHO требуется простой постоянный ток, увеличенный до огромной степени.

Следующая простая схема может быть использована для преобразования воды в газ HHO в больших количествах с использованием минимального тока для получения результатов.

Когда дело доходит до генерации высокого напряжения, нет ничего проще, чем использовать трансформатор CDI, что можно увидеть на приведенной выше диаграмме.

Использование напряжения CDI

В основном это схема CDI, которая должна использоваться в автомобилях для улучшения их характеристик, я подробно обсуждал это в одной из моих предыдущих статей, как сделать улучшенный CDI, вы можете пройти через публикацию для лучшее понимание дизайна.

Та же самая идея была использована для предлагаемой генерации газа HHO с максимальной эффективностью.

Как это работает

Давайте попробуем понять, как работает схема и как она способна генерировать большие напряжения для разделения воды на газ HHO.

Схема может быть разделена на 3 основных каскада: нестабильный каскад IC 555, каскад повышающего трансформатора и каскад емкостного разряда с использованием автомобильного трансформатора CDI.

При включении питания микросхема IC 555 начинает колебаться, и на ее выводе 3 генерируется соответствующая частота, которая используется для переключения подключенного транзистора TIP122.

Этот транзистор, оснащенный повышающим трансформатором, начинает подавать мощность в первичную обмотку с приложенной скоростью, которая соответственно повышается до 220 В через вторичную обмотку трафарета.

Это повышенное напряжение 220 В используется в качестве напряжения питания для CDI, но реализуется, сначала сохраняя его внутри конденсатора, и как только напряжение конденсатора достигает минимального заданного порогового предела, оно запускается через первичную обмотку CDI с помощью переключения. Схема SCR

Сброшенные 220 В внутри первичной обмотки катушки CDI обрабатываются и повышаются до огромных 20000 вольт или выше катушкой CDI и выводятся через показанный кабель высокого напряжения.

Потенциал 100 кОм, связанный с IC 555, может использоваться для регулирования времени срабатывания конденсатора, который, в свою очередь, определяет, какой ток может подаваться на выходе трансформатора CDI.

Выходной сигнал катушки CDI теперь может быть введен в воду для процесса электролиза и для генерации HHO.

Простую экспериментальную установку для того же можно увидеть на следующей диаграмме:

Установка генератора HHO

В приведенной выше установке газового генератора HHO мы видим два идентичных резервуара, которые должны быть изготовлены. Из пластика можно увидеть левый сосуд, состоящий из двух параллельных полых трубок из нержавеющей стали и двух стержней из нержавеющей стали, вставленных в эти полые трубки.

Две трубки электрически связаны друг с другом, как и стержни, но трубка и стержни строго не должны касаться друг друга.

Здесь стержни и трубки становятся двумя электродами, погруженными в сосуд, наполненный водой.

На крышке этого сосуда есть два вывода для подключения погруженных электродов к высокому напряжению от цепи генератора высокого напряжения, как объяснялось в предыдущем разделе этого поста.

При включении высокого напряжения в цепи вода, захваченная внутри трубок (между внутренними стенками трубок и стержнями), быстро подвергается электролизу под высоким напряжением и с поразительной скоростью превращается в газ HHO.

Однако этот газ, образующийся внутри левого резервуара, необходимо транспортировать в какой-либо внешний резервуар для использования по назначению.

Это осуществляется через соединительную трубку через другую емкость справа.

Коллектор справа также заполнен водой, так что газ может выходить в камеру, но только тогда, когда он всасывается и используется внешней системой сгорания. Эта установка важна для предотвращения случайных взрывов и / или пожара внутри сосуда-коллектора

Можно предположить, что описанные выше процедуры в сочетании с высоким напряжением способны эффективно генерировать большие количества готового к использованию газа HHO, обеспечивая выход, который может быть в 200 раз больше, чем потребляемая входная мощность.

В следующем посте мы узнаем, как ту же настройку можно использовать в автомобильных системах зажигания для повышения эффективности использования топлива до 40%

ОБНОВЛЕНИЕ:

Если вы чувствуете, что описанный выше метод катушки CDI является слишком сложный, то вместо этого вы можете использовать простую схему инвертора для достижения желаемых результатов. Обязательно используйте трансформатор 6-0-6 В / 220 В на 5 ампер для эффективного преобразования.

Просто погрузите выходные провода трансформатора в воду через мостовой выпрямитель, как это

QL-500 PEM Hydrogen Generator

Генератор водорода QL используется для генерации до 99 единиц.Водород чистотой 9995% благодаря передовой мировой технологии PEM. Полученный водород можно использовать для газовой хроматографии (ГХ) газа-носителя и топливного газа, газа столкновений ICP-MS, реактора гидрирования, топливного элемента и оборудования для испытаний на выбросы. Это идеальное оборудование для замены обычных газовых баллонов в лаборатории. Генератор водорода QL — идеальное решение для добычи газа на месте.

В системах QL Hydrogen Generation используются платиновый катализатор и технология PEM (протонообменная мембрана) для разделения деионизированной воды на составные части.Протонообменная мембрана (PEM) позволяет только воде и положительным ионам перемещаться между отсеками. Мембрана также служит электролитом в ячейке, устраняя необходимость в опасных жидких электролитах, таких как концентрированный гидроксид калия. Электролиз воды PEM просто расщепляет чистую деионизированную воду (H ₂ O) на составляющие части, водород (H ₂ ) и кислород (O ₂ ), по обе стороны от мембраны.

Когда на электролизер подается постоянное напряжение, вода подается на анод или кислородный электрод и окисляется до кислорода и протонов, а электроны высвобождаются.Протоны (ионы H ⁺ ) проходят через PEM на катод или водородный электрод, где они встречаются с электронами с другой стороны цепи и восстанавливаются до газообразного водорода. В клетке происходят две реакции:

1. 2H ₂ O -> 4H ⁺ + 4e ^— + O ₂
2. 4H ⁺ + 4e ^— -> 2H ₂

Таким образом, единственно возможные компоненты потоков — водород, кислород и водная влага.

Приложения:

• Газ-носитель и топливный газ для газовой хроматографии
• Подача водорода для топливного элемента
• ИСП-МС газ для столкновений
• Подача водорода в реактор гидрирования
• Подача водорода для оборудования для испытаний на выбросы
• Газоанализатор опорный газ
• Реакционный газ ELCD (детектор проводимости)
• АЭД (атомно-эмиссионный детектор) реакционного газа
• Другая область применения чистого водорода

Преимущества продукта:

• Технология твердого полимерного электролита
• Структура нескольких электродов и многоэлементной электролизной ячейки
• Электролиз чистой воды (без добавления щелочи)
• Низкое энергопотребление
• Низкое напряжение ячейки
• Высокая эффективность электролиза

Основные характеристики:

Ожидается, что общее время выполнения заказа составит две-три недели.

Руководство по эксплуатации генератора водорода QL-500 PEM

Стэнли Мейер 8XA HHO водородный топливный контур от

Эта профессиональная печатная плата включает в себя весь блок управления процессом электрической поляризации (8XA) Стэна, плату регулятора напряжения
9XD и схемы переменного генератора импульсов 9XB — все в одном.

Новый улучшенный дизайн.

Это полная схема процесса электрической поляризации Стэна, а не только генератор сигналов!

Это оригинальная схема Стэна Мейера, взятая прямо из его демонстрационной коробки для патентного бюро!

Все, что требуется, — это источник питания переменного тока 12 В, регулятор мощности и водяной элемент.

Водяной топливный элемент не показан.

Поставляется в полностью собранном и протестированном виде! Некоторые используют это в своих транспортных средствах для выработки газа HHO, чтобы сэкономить на топливе.

В этой установке нет резонанса, но она производит много HHO!

Эта схема взята непосредственно из оригинального блока процесса электрической поляризации Стэна

Причины использования платы процесса электрической поляризации Стэна на вашем автомобиле:

• Электролиты, питающие детали двигателя, не требуются — просто используйте обычную воду из-под крана
• Нет пищевой соды, NaOH или KoH, которые засоряют ваш топливный элемент
• Потребляемая мощность НАМНОГО меньше, чем у предшествующих технологий (электролиз)
• Металлические возбудители (трубки / пластины) не растворяются в воде
• Очищает внутренние отложения углерода в вашем двигателе
• Уменьшите зависимость от бензина СЕЙЧАС
• Увеличьте пробег и мощность

Часто задаваемые вопросы
============================

Q.Производит ли это газ HHO?

A. Да, количество выделяемого газа зависит от того, насколько высоко установлен трансформатор Powerstat, и расстояния между пластинами элементов

В. Какой вид топливного элемента можно использовать с ним?

Блок процесса электрической поляризации А. Стэна был разработан для работы с его подвижной ячейкой с дистанционной пластиной, но он также будет работать и с трубчатыми ячейками. Если вы прочитаете патенты Стэна, вы увидите, что он упоминает, что трубчатые ячейки более эффективны, но любой тип ячейки будет работать

Q.Какую воду я использую?

A. Стэн разработал его как тест для патентного ведомства и разработал его для работы с обычной водопроводной водой. Поэтому никаких электролитов и добавок не требуется! Просто добавьте водопроводную, дождевую или колодезную воду! Дистиллированная вода будет работать, если в контуре используется самое высокое напряжение, но она не производит столько газа, сколько водопроводная вода, для которой она предназначена

Q. Позволит ли это мне запустить машину на 100% воде?

A. Нет, он не будет полностью работать на воде, но позволит вам использовать меньше бензина, чем без него.Конечная цель — ЗАМЕНИТЬ бензин, но мы должны работать постепенно. Использование меньшего количества бензина — это первый шаг к дальнейшему развитию работы Стэна.

В. Почему готовая доска Стэна Мейера такая дорогая?

A. Основная причина разницы в цене в том, что собранная плата паяется, разводится и тестируется вручную. Мы должны покрыть время, необходимое для выполнения всего этого, а для того, чтобы сделать это правильно, требуется много времени. Большинство людей предпочитают, чтобы комплект был уже собран, поэтому все, что им нужно сделать, это подключить его к своему топливному элементу, и все готово!

Q.В чем разница между этим и теми ячейками, которые я вижу повсюду в Интернете?

A. Установка Стэна во многих отношениях полностью отличается от предшествующего уровня техники. Вот лишь некоторые из них:

Этот контур отлично работает и гарантированно производит газ HHO. Требуется входное напряжение 12 В постоянного тока или 12 В переменного тока и 120 В. Также требуется Variac, включает инструкции и схемы для подключения …

Разработка генератора водорода для обогащения водородом двигателя внутреннего сгорания — IJERT

Разработка генератора водорода для обогащения водородом двигателя внутреннего сгорания

Ашиш Кудесиа1

1 студент, кафедра машиностроения, университет MATS,

Райпур, Чхаттисгарх, Индия.

Д-р А. М. Бисен2

2Профессор кафедры машиностроения, Университет ИНДУС,

Ахмадабад, Гуджарат, Индия.

Резюме В статье представлена ​​разработка и разработка бортового генератора водорода для обогащения водородом двигателя внутреннего сгорания, а также использования водорода для любых других целей. Производство водорода путем электролиза осуществляют с помощью процесса с мокрым электролизером, который очень неэффективен. Таким образом, чтобы преодолеть неэффективность и оптимизировать производительность, в разработанном генераторе используется процесс типа сухих ячеек.Производство водорода на борту в основном осуществляется с помощью реактора частичного окисления и электролиза воды. Генератор использует электрическую энергию батареи для проведения процесса электролиза и вырабатывает водород. Водород, который имеет высокую скорость горения, при добавлении к бензину в двигателе внутреннего сгорания увеличивает скорость распространения пламени. Выбросы углеводородов, окиси углерода и некоторых других параметров снижаются с увеличением процентного содержания водорода. Приведены характеристики разработанного бортового электролизера.Основная цель данной статьи — изучить и проанализировать возможность использования спроектированного генератора в двигателях внутреннего сгорания и других возможных целях.

Ключевые слова Водород, электролиз, бензин, обогащение.

1. ВВЕДЕНИЕ

   Снижение выбросов и повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания продолжает оставаться сложной задачей, особенно когда добавляется ограничение на поддержание высокого КПД двигателя. Повышение эффективности поршневых двигателей постоянно преследовалось с тех пор, как двигатели с циклом Отто были впервые использованы в качестве силовых установок для транспортных средств.Важное влияние расхода топлива на такие факторы, как дальность полета, эксплуатационные расходы и конструкция транспортного средства, всегда были важными при проектировании. В течение последнего десятилетия влияние факторов окружающей среды и национальный интерес к энергосбережению подчеркнули необходимость производства чистых и эффективных двигателей. Многие концепции повышения эффективности и соответствия стандартам выбросов были протестированы и опубликованы. Эти идеи включают использование водорода в качестве добавки или использование водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, которые обсуждались и исследовались в течение многих лет.

   Есть некоторые комплекты, которые утверждают, что для управления автомобилем используется водородный генератор, подключенный к генератору переменного тока, но на самом деле это невозможно, и это было доказано многими исследованиями. Поскольку электролизер потребляет больше энергии от двигателя. Механическое сопротивление, создаваемое генератором переменного тока и из-за этого большее количество тока, составляет

   , затраченного электролизером, чем количество произведенного водорода. Кроме того, невозможно преобразовать одну форму энергии в другую со 100% -ным КПД.Есть также поддельные комплекты, доступные здесь, в Индии, которые обещают увеличить пробег, и люди покупают их из-за недостатка знаний. В этих наборах есть электролизеры, которые производят водород из влажных элементов, что является наиболее простым и неэффективным способом получения водорода. Это приводит к уменьшению пробега и не увеличивает эффективность.

   Одним из наиболее эффективных решений для снижения некоторого количества выбросов является сгорание с использованием обедненной смеси с водородом в двигателях внутреннего сгорания, которое может обеспечить низкие выбросы и более высокий термический КПД по нескольким причинам.Во-первых, избыток кислорода в загрузке дополнительно окисляет несгоревшие углеводороды и монооксид углерода. Во-вторых, избыток кислорода снижает пиковые температуры сгорания, что препятствует образованию оксидов азота. В-третьих, более низкие температуры сгорания увеличивают удельную теплоемкость смеси за счет уменьшения чистых потерь на диссоциацию. В-четвертых, по мере увеличения удельной теплоемкости термический КПД цикла также увеличивается, что дает возможность для лучшей экономии топлива.

   Но эффективная работа на обедненной смеси с точки зрения хороших характеристик автомобиля, экономии топлива и низких выбросов углеводородов ограничена по нескольким причинам.Снижение указанного среднего эффективного давления (IMEP) происходит с обедненными смесями, что вызывает значительные колебания мощности и вызывает помпаж двигателя и вибрации силовой передачи. Кроме того, по мере того, как соотношение смеси становится беднее, процесс сгорания замедляется и происходит на больших интервалах угла поворота коленчатого вала, тем самым вызывая повышение уровней выбросов углеводородов и расхода топлива. Кроме того, термический пограничный слой или расстояние гашения увеличивается с более бедными соотношениями в смеси, что также приводит к увеличению уровней выбросов углеводородов.Даже несмотря на то, что для окисления этих углеводородов доступен избыток кислорода, гасящий эффект стенки цилиндра все равно приведет к чистому увеличению выбросов углеводородов. Пропуски зажигания на обедненном топливе характеризуются высокими выбросами углеводородов, неустойчивой работой двигателя и низкой топливной экономичностью.

   Вышеупомянутые проблемы работы с обедненной смесью могут быть решены путем использования водорода в качестве катализатора в процессе сгорания. Водород, подаваемый из генератора, увеличит скорость распространения пламени, и проблема тушения также будет решена.Разработанный водородный генератор будет использоваться при работе на обедненной смеси в двигателе. Для проверки работы на обедненной смеси нескольких датчиков

   , и эти датчики будут гарантировать подачу водорода только при сжигании обедненной смеси.

2. ГЕНЕРАЦИЯ ВОДОРОДА

   Производство водорода осуществляется многими процессами, которые используются в зависимости от пригодности и необходимого количества водорода. В этой конструкции водород получают путем электролиза воды.Электролиз воды — это разложение воды на газы кислорода и водорода, возникающее при прохождении электрического тока. Если используемое электричество производится из возобновляемых источников, таких как солнечные батареи, это, безусловно, уменьшит углеродный след. Электролиз одного моля воды дает один моль водорода и половину моля кислорода в их обычных двухатомных формах. На катоде появится водород, а на аноде появится кислород.

   Водород — самый простой и самый распространенный элемент во Вселенной.Он составляет около 75% всей материи Вселенной. Это базовый элемент с огромным потенциалом. Это неметаллический элемент с атомным номером 1. Газообразный водород или молекулярный водород состоит из двух атомов водорода, скрепленных ковалентной связью. Водород производит чистую энергию. Энергосодержание водорода намного выше по сравнению с другими обычными видами топлива, такими как бензин, уголь и природный газ. Удельная энергия водорода составляет 141 кДж на грамм, что примерно в три раза больше, чем у бензина.Удельная энергия — это содержание энергии в топливе на единицу массы.

3. ТЕКУЩИЙ СЦЕНАРИЙ

   В последние годы проявился большой интерес к изучению вариантов экологически чистой энергии. Даже сейчас наша энергия поступает в основном из ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и природный газ. Поэтому очень важно найти возобновляемый источник энергии, который мы можем легко извлечь. А водород — один из вариантов, доступных в изобилии, но его нужно извлекать из разных источников.За несколько десятилетий было найдено множество методов, которые могут извлекать водород, но не являются полностью эффективными. Были предприняты попытки получить газообразный водород во многих лабораториях и в небольших масштабах. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии проводит исследования по нескольким методам производства водорода, таким как ферментация, биологическое расщепление воды, фотоэлектрохимическое расщепление воды, преобразование биомассы и отходов, расщепление термальной воды солнечными батареями и электролиз возобновляемых источников. Другой исследуемый метод — это фотоэлектрохимическое расщепление воды для получения водорода с использованием солнечного света для прямого разделения воды на водород и кислород. Считается, что это самый чистый способ производства водорода, но возможность использования этого метода ограничена.Также изучается разделение солнечной термальной воды, в котором высококонцентрированный солнечный свет используется для создания высокой температуры, необходимой для расщепления метана на водород и углерод.

4. КОМПОНЕНТЫ

   Основным элементом экспериментальной установки является генератор водорода и его источник питания, который используется для проведения электролиза. Также используется микроконтроллер, который использует различные датчики и контроллеры для записи данных, а также для обеспечения безопасности. Водород является легковоспламеняющимся газом и очень опасен, если с ним не обращаться осторожно.Для предотвращения взрыва

   или имплозия во всей системе используются устройства, такие как пламегаситель и барботер.

   Рис.1: Разработанный водородный генератор

   1. Корпус

      Корпус генератора удерживает электролит и электродные пластины. Он изготовлен из полиэтилена низкой плотности толщиной 2 мм. В корпусе находятся все электродные пластины, которые наложены друг на друга. Все электродные пластины расположены в соответствии с полярностью.На каждом конце есть два корпуса, которые удерживают между собой все электроды. В корпусе есть отверстия, через которые затягиваются болты. Оба корпуса имеют разъемы для ввода и вывода электролита, а также для вывода водорода. Эти соединители изготовлены из латуни и имеют резьбу для крепления на корпусах.

   2. Электроды

      Генератор состоит из нескольких пластин, установленных друг на друга и разделенных резиновым уплотнением. Эти пластины изготовлены из нержавеющей стали 20 калибра.Для предотвращения коррозии на поверхности пластин используется нержавеющая сталь. Используемые пластины изготовлены из высококачественной нержавеющей стали, чтобы предотвратить окисление хрома с пластин. Каждая пластина соединена с соответствующим электрическим соединением, то есть положительной пластиной или анодом, отрицательной пластиной или катодом и нейтральной пластиной. Перед установкой электродных пластин каждая пластина шлифуется на шлифовальном ленточном станке для удаления окисленных материалов с поверхности, а также для достижения максимальной площади поверхности.

   3. Электролит

      Электролит образуется из смешанных дистиллированной воды и гидроксида натрия. Раствор тщательно перемешивают и заливают в резервуар-накопитель. Очень важно поддерживать соотношение смеси дистиллированной воды и гидроксида натрия. Чем больше увеличивается доля гидроксида натрия, тем выше сопротивление раствора электролита. Это приводит к увеличению потребления энергии и снижению производительности. В этом генераторе сохраняется соотношение 1:10 или 1: 5, где 1 литр

      дистиллированная вода содержит десять или пять граммов гидроксида натрия.

   4. Водохранилище

      Резервуар содержит раствор электролита, а также имеет соединения для ввода и вывода электролита. Подача раствора электролита из генератора также служит выходом добываемого газа. Давление, создаваемое газом, способствует возвращению электролита в резервуар и, следовательно, завершению цикла. Резервуар находится на более высокой высоте, чем генератор, чтобы обеспечить подачу раствора электролита в генератор под действием силы тяжести.Бак всегда должен быть герметичным, чтобы завершить цикл.

   5. Электронная схема

      Электронная схема состоит из датчика тока ACS 712, датчика температуры DS 18b20 и микроконтроллера, который считывает аналоговый входной сигнал с датчиков, преобразует его в считываемые значения и записывает их. Используемый микроконтроллер — это Arduino nano. Схема также состоит из предохранительного выключателя, который отключает цепь генератора при достижении порогового значения как по току, так и по температуре.Микроконтроллер программируется с использованием интегрированной среды разработки Arduino. В микроконтроллере имеется много памяти для дальнейшей оптимизации системы, а также для программирования, необходимого для системы сжигания бедной смеси.

   6. Устройства безопасности

   Поскольку водородный газ имеет тенденцию к очень быстрому возгоранию, а также к возгоранию, используются предохранительные устройства, такие как обратные пламегасители, барботеры и обратные клапаны. Все эти устройства используются для предотвращения возгорания и обеспечения безопасности.Гаситель обратного пламени состоит из очень маленьких катушек со стальной ватой внутри трубок, которые предотвращают обратный огонь. Фактически он работает как односторонний клапан.

   РИС.2: СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ

   Барботер также служит для предотвращения возгорания, и это очень простое устройство. Он состоит из резервуара, наполненного водой, и входного патрубка для газа. Образующийся газ поступает в резервуар снизу, образуя пузырьки, которые также служат индикатором.

5. НАБЛЮДЕНИЯ

Скорость образования газа при электролизе воды зависит от электролита, расстояния между электродами, площади и подготовки электродов, тока, протекающего в ячейке, а также концентрации и температуры электролита.

Объем газа

Объем, полученный при электролизе воды, рассчитывается с использованием закона электролиза Фарадея. В воде вес одного моля составляет

H = 2 x 1,008 г / моль (1)

O = 15,999 г / моль (2)

Таким образом, 1 моль h3O = 18,015 г / моль

Подача тока составляет 30 ампер в течение 30 минут (1800 секунд),

Окислительно-восстановительные реакции: на катоде

2H + (водн.) + 2e- h3 (г) (3)

На аноде

OH- (водн.) + OH- (вод.) H3O (l) + ½ O2 (г) + 2e- (4)

Число молей электронов:

30 A x 1800 сек = 2x (1.08 x 105) кулонов (5) Принимая постоянную Фарадея

1,08 x 105 C x 0,5 F / 96 485 C = 0,5596 моль электронов.

В электролизе воды участвуют 2 электрона, при этом выделяется 1 объем газообразного кислорода, когда производятся 2 объема газообразного водорода.

Используя закон идеального газа, объем газообразного водорода, производимого при стандартной температуре и давлении, составляет:

пВ = nRT (6)

Где p = давление = 1,013 x 105 Па V = объем = подлежит определению!

n = количество родинок = 0.5596 R = газовая постоянная = 8,3141

T = Температура = 298 K

ИЛИ V = nRT / p

Ставим все вышеперечисленные значения

= 13,687 литра за 30 минут при 30 А электрического тока. За одну минуту произведено 0,4562 литра газообразного водорода.

Было замечено, что результаты, полученные теоретически, значительно хуже реальных.

ТАБЛИЦА I. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА

ОБСУЖДЕНИЯ

Результаты тестирования обогащения водородом по нескольким ссылкам показали несколько эффектов:

1. Снижение выбросов выхлопных газов;

2. улучшенная мощность двигателя при впрыске водорода;

3. Повышенная экономия топлива при определенных условиях работы двигателя, обычно 20%.

   Подробная программа исследований теперь является единственным способом подтвердить и объяснить эти первоначальные наблюдения разработанным водородным генератором.

   С другой стороны, есть некоторые сдерживающие факторы:

   • Электролит требует регулярной доливки.

   • Соответствующие стандартизированные исследования не проводились.

   • Часть энергии теряется в системе электролизера из-за омического нагрева и т. Д.

   • Было доказано несколькими ссылками, что количество выделяемого водорода меньше, чем величина механического сопротивления или мощность, потребляемая от двигателя.

   • Гарантия на двигатель может быть аннулирована при использовании в двигателе этих типов генераторов.

     Все эти проблемы могут быть решены следующими методами

   • Использование солнечной энергии для производства водорода на борту транспортного средства может значительно снизить нагрузку на двигатель. Таким образом, механическое сопротивление двигателю через генератор будет уменьшено, и определенно произойдет увеличение эффективности и пробега.

   • Можно использовать другой метод, который заключается не в производстве водорода на борту, а в производстве водорода в тех местах, где есть солнечные батареи и используются возобновляемые источники энергии.Произведенный водород будет сжиматься и храниться в резервуаре и при необходимости использоваться транспортными средствами.

   • Проблемы, связанные с омическим нагревом, могут быть решены путем использования и исследования материалов, которые обладают очень меньшим сопротивлением и могут использоваться в качестве электродов в генераторах этого типа.

     Кроме того, во время испытаний было замечено, что производство водорода полностью зависит от величины тока, протекающего через элемент, а не от напряжения, если оно удвоено.Следующим этапом этого исследования будет производство водорода с помощью этого генератора с использованием возобновляемых источников

     как солнечные батареи. После этого полученный чистый водород будет использоваться в двигателе внутреннего сгорания или в качестве дополнения к процессу сжигания бедной смеси.

     ВЫВОДЫ

     • Разрабатывается водородный генератор, который одновременно оптимизируется для повышения производительности при минимальном потреблении энергии.

     • Водород и газообразный кислород, образующиеся при генерации, можно использовать для обогащения водородом двигателя или в жилых, промышленных и коммерческих целях.

     • Производство водорода с помощью этого генератора должно производиться только за счет возобновляемых источников энергии, чтобы уменьшить углеродный след.

     • Поскольку водород называют топливом будущего, необходимы обширные исследовательские программы для изучения различных методов производства водорода и выбора лучших из них.

   ССЫЛКИ

   1. Палмер Д. Водород во Вселенной. 1997.

   2. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.Исследования водорода и топливных элементов. 2013.

   3. Манесс, П., Тамманнаговда, С., Магнуссон, Л. Ферментация и Пеннингтон, Г. Электрогидрогенные подходы к производству водорода. Годовой отчет о проделанной работе за 2010 год. Министерство энергетики США.

   4. Тейлор, Чарльз Ф .: Двигатель внутреннего сгорания в теории и на практике. Тт. 1 и 2, 2-й, Mass. Inst. Tech. Пресс, 1968.

   5. Hoehn, F. W .; и Дауди, М. В.: Технико-экономическое обоснование дорожного транспортного средства, работающего на бензине, обогащенном водородом.Девятая межобщественная конференция по инженерии преобразования энергии. Являюсь. SOC.Mech. Eng., 1974, с. 956-964.

   6. Основы двигателя внутреннего сгорания: Джон Б. Хейвуд.

   7. Bolt, J .; и Холкебоер, Д.: Бедные топливно-воздушные смеси для двигателей с искровым зажиганием высокого сжатия. SAE Trans., Т. 70, 1962, стр. 195-202.

   8. Hoehn, F. W .; Baisley, R.L .; и Дауди, М. В.: Преимущества технологии сверхнизкого сжигания с использованием бензина, обогащенного водородом.Десятая межобщественная конференция по преобразованию энергии. Inst. Электроэнергетика, 1975, с.1156-1164.

   9. Stebar, R. F .; и Паркс, Ф. Б.: Контроль выбросов с помощью обедненной смеси с использованием топлива с водородом. Документ SAE 740187, 1974.

   10. Эриксон, П. А. Производство водорода для топливных элементов путем риформинга метанола, полученного из угля. Квартальный отчет о техническом прогрессе, апрель 2005 г., Калифорнийский университет в Дэвисе.

   11. Стив Перхам; Водород снижает выбросы углерода от транспортных средств.

| Паб открытого доступа

Электронное поведение водородной электролитической ячейки как элемента схемы может быть представлено нелинейной характеристической кривой VI , как схематично показано на рисунке 1. Кривая VI показывает, что полное напряжение ячейки E _e является наложение двух отдельных напряжений: (1) практическое напряжение разложения, E _d и (2) дополнительное приложенное напряжение ΔE , которое при наложении на E _d дает электролитический ток I _e , ΔE затем отождествляется с электродвижущей силой ( эдс, ) для проведения электролитического тока.Поскольку напряжение разложения E _d является ограничением статического состояния нулевого тока, оно отождествляется с барьерным потенциалом ^{2, 3, 4, 5} . Для элемента, подвергаемого электролизу, источник напряжения, внешний по отношению к элементу, должен подавать напряжение E _e , _, , определяемое по формуле:

E _e = E _d + ΔE . (1)

Рисунок 1. Работа водно-электролитической ячейки с полимерно-электролитной мембраной (ПОМ). а — элементарная ячейка, подключенная к одному источнику питания: PS: источник питания; Q: заряд на поверхности электрода; E: вектор электростатического поля; A: площадь поверхности электрода; L: расстояние между электродами. б, кривая ВАХ. Ed: напряжение разложения; Ee: электролитическое напряжение; ΔE: дополнительное приложенное напряжение по сравнению с Ed.

Когда течет ток I _e , по заявке E _e , продукт E _e I _e представляет общую мощность, которую блок питания должен обеспечивать.Значение этой мощности зависит от значения E _d , что выражается как:

P = I _e ( E _d + ΔE ). (2)

Первый член E _d I _e представляет мощность, подаваемую источником для тока, чтобы преодолеть барьерный потенциал E _d до того, как ячейка станет проводящей. Обычная электролитическая схема с одним источником напряжения (SSE) требует мощности, заданной формулой.(2).

Метод ESI-PSE, показанный на рисунке 2a. , подает потенциалы на электроды двойным способом. Это суперпозиция напряжений с использованием двух независимых источников напряжения; источник напряжения смещения, который индуцирует E _d на электродах ячейки (шаг 1 на рисунке 2b), и источник постоянного тока, который обеспечивает питание элемента (шаг 2 на рисунке 2b). Эти источники могут действовать параллельно независимо и снабжать электроды ячейки индивидуальными потенциалами, таким образом обеспечивая суперпозицию, при которой результирующее напряжение между электродами ячейки равно величине алгебраической суммы отдельного потенциала, т.е.е., E _d + ΔE (рисунок 2c).

Источник напряжения смещения не должен вырабатывать электрический ток, а просто статическое напряжение из-за состояния нулевого тока в точке E _d . Напряжение ячейки E _e является наложением ΔE на E _d , и весь соответствующий электролитический процесс является наложением процесса переноса заряда, в котором применяется ΔE (т.е.е., мощность используется) в процессе создания электростатической энергии, где применяется E _d (то есть мощность не используется). Если ток 2F течет, чтобы произвести 1 моль H ₂ и половину моля O ₂ , и поскольку эффективность тока, как известно из экспериментальных данных, почти равна единице, общая потребляемая мощность для ESI-PSE уменьшается. в обобщенном виде для любой данной ячейки, независимо от E _d , температуры, давления, состава раствора электролита и размера ячейки:

P ^* = 2F ( E _e — E _d ) = 2F ΔE .(3)

Рисунок 2. Принцип ESI-PSE. а, поведение системы ESI-PSE при электролизе. FG: генератор поля; А: анод; C: катод; Rcell: сопротивление клетки. б, эквивалентная схема для шага 1. в, эквивалентная для шага 2.

Источник напряжения смещения PS1 отвечает за создание электростатической энергии для перевода H ₂ O в состояние разложения. Он используется для создания потенциала E _d между электродами посредством электростатической индукции, тем самым делая электроды биполярными.Таким образом, система состоит из двух контуров, контура 1 и контура 2. Общее напряжение смещения поровну делится на E _d между тремя каналами, FG (+) — A, B-C и C-FG (-). Следовательно, E _d индуцируется как плавающий потенциал на электродах ячейки с полярностью, как показано на рисунке 2a. Эта система способна предотвратить влияние двух источников напряжения друг на друга. Из-за состояния нулевого тока PS1 не должен обеспечивать ток, а просто индуцирует статическое напряжение на электродах.Ячейку теперь можно заменить изолированной схемой, которая содержит источник индуцированного напряжения, обеспечивающий выходное напряжение E _d между электродами ячейки, A и C. Рабочие характеристики ячейки можно объяснить с помощью ряда шагов. Сначала при выходном напряжении PS1 В _PS = E _d , I = 0 (нулевая точка). Во-вторых, если В _PS увеличивается от нулевой точки, электролитический ток I = I _e течет из-за полного напряжения источника ( ЭДС ) ΔE = В _ПС — E _d .Следовательно, два источника могут быть заменены одним источником, который обеспечивает ΔE . Кроме того, напряжение на ячейке (напряжение ячейки) составляет E _d + ΔE в результате наложения ΔE на E _d. Если ток 2F протекает, чтобы произвести 1 моль H ₂ и половину моля O ₂ , и поскольку эффективность тока, как известно из экспериментальных данных, почти равна единице, общая потребляемая мощность для ESI-PSE уменьшается. к обобщенному виду, заданному формулой.(3) для любой данной ячейки, независимо от напряжения разложения E _d , температуры, давления, состава раствора электролита и размера ячейки: в типичной системе элементов, в которой ячейка подключена к единственному источнику напряжения (SSE ), мощность, необходимая для выработки 1 моля H ₂ , равна,

P ^o = 2F ( E _d + ΔE ). (4)

Для сравнения мощности двух электролитических схем имеем соотношение мощностей:

P ^* / P ^o = ΔE / ( E _e + E _d ).(5)

Сделай сам самодельный генератор водорода HHO

ОПАСНО: Этот проект включает создание смеси водорода и кислорода, которая является ВЗРЫВЧАТОЙ ГАЗОЙ. В замкнутом пространстве детонация газа очень опасна и может привести к серьезным травмам.

Как это работает
Вода — это соединение, состоящее из двух элементов: водорода и кислорода. Он имеет химический символ h3O, который указывает на то, что каждая молекула представляет собой комбинацию одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Все атомы могут образовывать «ионы». Это тот же атом, за исключением небольшой надбавки. Атомы могут ионизироваться в присутствии электрического поля. Вы можете увидеть крайние примеры этого в проекте DIY Tesla Coil. Водород образует положительные ионы, а кислород — отрицательные. Мы используем это в своих интересах, используя электрическое поле, чтобы разлучить молекулы воды.

Поместив два электрода (металлические пластины) в воду, мы можем создать между ними электрическое поле, подключив их к клеммам батареи или источника питания.Положительный электрод известен как анод, а отрицательный — катод. Чистая вода на самом деле не проводит электричество, поэтому ее нельзя использовать без добавления чего-либо в воду. Водопроводная вода уже содержит много растворенных соединений, которые позволяют воде проводить. Ионы, образующиеся в воде, будут притягиваться к электроду противоположной полярности, то есть положительные ионы водорода будут двигаться к катоду, а отрицательные ионы кислорода — к аноду. Как только ионы достигают поверхности электродов, заряды нейтрализуются путем добавления или удаления электронов.Затем газ должен пузыриться из оставшейся воды, которую необходимо собрать.

Электроды обычно изготавливаются из металла или графита (углерода), поэтому они могут пропускать электричество в воду. Важно, чтобы выбранный материал не реагировал легко с кислородом или одним из растворенных соединений, в противном случае реакции будут происходить на поверхности катода (отрицательного электрода), и вода будет загрязнена продуктами этих реакций. Ниже вы увидите пример этого, когда используются медные электроды.Это также означает, что газообразный кислород не выделяется или выделяется очень мало, когда он соединяется с металлическим электродом и остается в контейнере.

Проект

Это простой проект, который используется для создания газообразного водорода и кислорода путем электролиза воды. Цель заключалась в том, чтобы получить хорошие показатели добычи газа без использования дополнительных химикатов или эрозии электродов.

Первые опробованные электроды остались от другого проекта. Они были сделаны из углеродных стержней с медным покрытием, которые не идеальны из-за способности меди вступать в реакцию с водой.Идея заключалась в том, что в конечном итоге вся медь отреагирует, и останется только углерод, который не будет загрязнять воду.

Медь, казалось, слишком долго реагировала, и было решено, что это вообще бесполезно. Ниже вы можете увидеть результат использования медного электрода для электролиза. Голубой ил, плавающий на поверхности воды, является реактивом меди и водопроводной воды.

Многие люди используют электроды, сделанные из кухонной посуды из нержавеющей стали или пластины переключателя, потому что нержавеющая сталь не реагирует так легко.Проблема в том, что качество стали, часто встречающейся в таких изделиях, невелико, и через несколько минут работы у вас останется коричневый осадок. Они также довольно тонкие, обычно менее 1 мм, что означает, что они не прослужат очень долго, прежде чем полностью разрушатся. Эрозия электродов происходит намного быстрее, когда используются высокие токи или растворенные вещества (часто называемые катализаторами).

Объем произведенного газа пропорционален заряду, проходящему через воду (току), поэтому большой ток означает больше газа.Для этого расстояние между электродами должно быть как можно более близким, но при этом должно быть достаточно места для свободного выхода газа.

Металлом, выбранным для изготовления пластин, была специальная высококачественная нержавеющая сталь для уменьшения коррозии. Такой металл не такой проводящий, как, например, медь, поэтому эти пластины были изготовлены из толстых листов толщиной 2 мм, чтобы противостоять этому потенциальному ограничивающему фактору. Был использован металл очень высокого качества, что означало, что его было слишком трудно резать обычными инструментами для самостоятельной резки, поэтому эти пластины были вырезаны с использованием струи воды под высоким давлением.

ИНФОРМАЦИЯ: Даже нержавеющая сталь самого высокого качества будет реагировать с водой и выделять токсичные химические вещества. Избегайте прикосновения к воде после использования.

Пластины уложены друг на друга с помощью нейлоновых шайб, используемых в качестве промежутка. Их размещают поочередно так, чтобы пластины были + — + — + -. Затем были использованы крепления из нержавеющей стали, чтобы собрать все вместе. Важно, чтобы он был собран хорошо, иначе в зоне добычи газа могут возникнуть искры, что приведет к взрыву.

Всего было использовано 16 пластин с расстоянием между ними 1 мм. Большая общая площадь поверхности и толщина пластин и болтов означали, что они могут пропускать очень большие токи без значительного резистивного нагрева металла. Общая емкость электродов составляла 1 нФ при измерении на воздухе, что указывает на большую близкую площадь поверхности для производства газа. Этот набор электродов потребляет около 25 А из обычной водопроводной воды. Чтобы собрать газ, электроды нужно поместить в какой-то контейнер.Используемый контейнер был просто чем-то из супермаркета и изначально предназначался для хранения чего-то вроде чая!

На этом видео показан результат приложения 12 В к электродам при погружении в обычную водопроводную воду. В воду вообще не добавлялись «катализаторы», это просто водопроводная вода!

Это рисунок около 25А. Питание ячейки регулируется с помощью схемы широтно-импульсной модуляции.

Контейнер был сделан из металла, поэтому важно было разместить электроды на пластиковом основании, чтобы предотвратить короткое замыкание.На этом изображении показано, как две банановые розетки были установлены по обе стороны от медных и латунных фитингов, используемых для отвода газа. Силовая и трубопроводная арматура были плотно завинчены и герметизированы силиконовым герметиком, чтобы закрытый контейнер был герметичным.

Образующийся газ представляет собой взрывоопасную смесь водорода и кислорода, и с ним следует обращаться с особой осторожностью. Внутри контейнера находится большой объем газа, который при воспламенении взорвется и разрушит контейнер. Чтобы избежать детонации газа, труба от баллона подводится к основанию другого баллона, наполовину заполненного водой.Это позволяет газу пузыриться через воду, а затем собирать ее через другую трубу, которая используется в качестве выхода газа. Теперь, если на выходе произойдет какое-либо возгорание, пламя не сможет пройти обратно через барботер в большой объем газа в электролизной ячейке. Это абсолютно необходимое устройство безопасности, и его нельзя пропускать.

Сейчас только решаю, что делать с газом! Хороший способ увидеть, насколько взрывоопасна газовая смесь, — пузырьки газа через другой контейнер с водой, например кружку, зажечь пузырьки, когда они достигают поверхности.Каждый пузырь очень громко взорвется и, возможно, задует зажигалку.

Похожий проект, в котором используются взрывные свойства газа, — это эксперимент с водородной пушкой.

Вы должны знать, что взрыв этой газовой смеси HHO ОЧЕНЬ-ОЧЕНЬ громкий.

Производство электроэнергии из водородного топлива

Водородная экономика

Водород продвигается как идеальное экологически чистое топливо будущего.

• Он по-прежнему будет доступен, когда иссякнет ископаемое топливо.
• Это десятый элемент по распространенности на Земле и самый распространенный элемент во Вселенной.
• Он образуется из воды и возвращается в воду при сгорании.
• Он доступен в огромных количествах из Мирового океана.
• Может использоваться в топливных элементах для выработки электроэнергии
• Может использоваться в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания для замены бензина или дизельного топлива.
• фунт за фунт он содержит более чем в три раза больше энергии, чем большинство углеводородных топлив.
• Невидимый, без запаха и нетоксичный.

Многие «водородные экономисты» не проясняют одно: откуда берется энергия для извлечения водорода из воды?

Водород является энергоносителем, а не источником энергии, поэтому энергия, которую он доставляет, в конечном итоге должна обеспечивать обычная электростанция.

На этой странице рассматриваются некоторые проблемы.

Топливные элементы

Топливный элемент был изобретен в 1839 г. валлийским юристом сэром Уильямом Робертом Гроувом. Он забирает водород и кислород из воздуха и выделяет электричество, тепло и воду. Он не использует ископаемое топливо и не производит парниковых газов, поэтому он должен быть идеальным решением для обеспечения распределенной или переносной электроэнергии.Несмотря на очевидные преимущества, практические устройства были разработаны только в 1950-х годах в ответ на потребности космической программы США. Даже сегодня, несмотря на то, что существует множество вариантов топливных элементов, работающих в лабораториях разработки по всему миру, и небольшое развертывание демонстрационных блоков в некоторых странах, массового производства по-прежнему нет.

Что сдерживает коммерциализацию топливных элементов?

На следующей схеме показаны ключевые компоненты системы для обеспечения питания переменного или постоянного тока.

Но эта диаграмма рассказывает только часть истории.

Хотя основной принцип довольно прост, преобразование его в практический продукт связано с множеством инженерных проблем, и до сих пор предложенные решения не были рентабельными.

Топливные элементы — дорогой способ получения электроэнергии.

Приз дешевой, чистой возобновляемой энергии все еще невостребован, но инженеры все ближе и ближе к его завоеванию.

В следующем разделе описаны их задачи и текущее состояние разработки.

Как работают топливные элементы

Топливные элементы не хранят энергию, как батареи. Они вырабатывают только электрическую энергию, пока активные химические вещества поступают на электроды.Этот процесс более подробно описан в двух приведенных ниже примерах.

Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM)

Наиболее распространенные топливные элементы используют водород в качестве топлива и кислород из воздуха в качестве окислителя. Основную реакцию можно проиллюстрировать на топливном элементе с протонообменной мембраной (PEM). (Также называется топливным элементом с полимерно-электролитной мембраной).

Общее уравнение реакции

2H ₂ + O ₂ ⇒ 2H ₂ O

Уравнение реакций на отдельных электродах показано там, где они происходят, на диаграмме ниже.

• Электроды

Электроды изготовлены из пористого углерода, который пропускает активные газы, а поверхности электродов поддерживают платиновые катализаторы.

• Электролит

Электролит представляет собой тонкий хрупкий лист кислого твердого органического полимера толщиной около 50 микрон (2 тысячных дюйма), который пропускает ионы водорода, но непроницаем для электронов.Кислотные соединения — это жидкости со свободными ионами водорода, которые являются носителями заряда топливных элементов.

• Активные химические вещества

Водород подается на анод, где он окисляется, теряя электроды в процессе.

Положительные ионы водорода (протоны) перемещаются через электролит через мембрану к аноду, в то же время электроны перемещаются по внешней цепи к катоду.

Кислород подается на катод, где он восстанавливается, собирая электроны и ионы из водорода с образованием воды.

• Электроэнергетика

Электронный поток между анодом и катодом, вызванный химическими реакциями в элементе, представляет собой обычный электрический ток, текущий в противоположном направлении.Этот электрический ток используется для работы во внешней цепи.

• Катализаторы

Катализаторы необходимы для увеличения скорости окисления на аноде и скорости восстановления на катоде. Таким образом, они позволяют химической реакции протекать при более низкой температуре. В качестве альтернативы, чтобы избежать затрат на дорогие катализаторы, некоторые топливные элементы предназначены для работы при повышенных температурах.

Платиновый катализатор, используемый в PEM и некоторых других элементах, очень дорог и чрезвычайно чувствителен к отравлению даже небольшими количествами окиси углерода, что делает необходимым использование дополнительных процессов фильтрации в системе для устранения потенциальных загрязнителей.

Топливные элементы с прямым метанолом (DMFC)

Ранние топливные элементы с PEM и фосфорно-кислотными электролитными топливными элементами (PAFC) использовали внешний паровой риформинг (см. Ниже) для выработки местных источников водорода с использованием метанола в качестве топлива.Однако недавние разработки топливных элементов устранили процесс риформинга за счет подачи метанола вместо водорода непосредственно в топливный элемент. К сожалению, метанол токсичен.

Работа топливного элемента с прямым метанолом аналогична работе топливного элемента PEM, показанного на диаграмме выше. Электролит — это полимер, а носителями заряда — ионы водорода. Жидкий метанол (CH ₃ OH) подается на анод электролизера, где он окисляется в присутствии воды, генерирующей диоксид углерода (CO ₂ ).Катодный химический состав такой же, как в ячейке PEM, где кислород соединяется с ионами водорода и электронами из внешнего контура для производства воды. Реакции следующие:

Как и топливные элементы PEM, DMFC работают при низких рабочих температурах в диапазоне примерно от 50 ° C до 120 ° C, но они имеют относительно низкий КПД и удельную мощность.Выходная мощность при использовании современной технологии ограничена примерно 1,5 кВт, чего достаточно для питания большинства потребительских товаров, но недостаточно для автомобильных приложений, требующих гораздо более высокой мощности.

Тем не менее, возможность использования жидкого топлива в сочетании с отказом от установки риформинга делает эти топливные элементы очень привлекательными.

Баланс завода (ПБ)

Только батарея топливных элементов не может вырабатывать электричество.Практическим системам необходимы подсистемы для подачи топлива и обеспечения необходимого контроля над процессами, связанными с преобразованием энергии. Основное вспомогательное оборудование, так называемое «остальное оборудование», может быть таким же дорогим и сложным, как и сама батарея топливных элементов. Некоторое из этого оборудования представлено в следующем списке;

• Поставка или хранение топлива

Самым крупным объектом является установка риформинга (см. Ниже), которая обеспечивает местное производство водородного топлива.Сама установка риформинга должна иметь емкость для хранения топлива риформинга, используемого в процессе.

Если производство водорода не является частью системы, должна быть какая-то форма хранения для хранения водородного топлива, потребляемого топливным элементом. Для этого требуются дорогие резервуары высокого давления или криогенные резервуары для хранения (см. Также ниже)

• Насосы, компрессоры и расширители

Насосы необходимы для прокачки реактивного воздуха через дымовую трубу и обеспечения принудительного охлаждения.Для систем с более высокой мощностью требуются компрессоры для обработки более высоких скоростей воздушного потока.

Детандеры

необходимы для понижения высокого давления хранимого водорода до необходимого входного давления в дымовой трубе.

• Фильтры

Фильтры необходимы для удаления любых загрязняющих веществ из источников топлива, которые могут отравить катализаторы или повредить элементы, снижая их выработку энергии и, в конечном итоге, вызывая их отключение.Конкретными нарушителями являются оксид углерода, образующийся в результате неполных реакций в установке риформинга, который влияет на платиновые катализаторы, и серу, содержащуюся в продуктах риформинга, полученных из ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и природный газ, которая загрязняет газообразный водород и, в свою очередь, разрушает и разлагает аноды.

• Управление температурой

В системах большой мощности для отвода тепла используется принудительное охлаждение жидкими хладагентами.Для этого требуются жидкостные насосы и радиатор / теплообменник для отвода тепла.

Система также требует, чтобы нагреватели доводили температуру дымовой трубы до рабочей точки при запуске.

Требуется общая система терморегулирования, чтобы сбалансировать тепловые потоки и поддерживать температуру дымовой трубы на оптимальной рабочей точке.

• Управление водными ресурсами

Электропроводность электролита в ячейке пропорциональна содержанию воды, и он должен быть влажным, чтобы оставаться проводящим.Воздушный поток и выделение тепла в ячейке, как правило, работают против этого. Следовательно, воздух, подаваемый в ячейку, необходимо увлажнять, чтобы предотвратить высыхание электролита, а для этого требуется увлажнитель.

Работа при низких температурах в условиях замерзания также вызывает проблемы из-за образования кристаллов льда, которые могут повредить электролит или мембрану. Система должна включать в себя метод очистки воды или альтернативные средства защиты от замерзания.

Другой насос может потребоваться для удаления излишков воды с катода.

• Управление электроэнергией

Хотя от некоторых топливных элементов может потребоваться обеспечение постоянного рабочего тока и напряжения, большинство систем должны реагировать на переменные потребности. Это означает, что система должна обеспечивать переменный выходной ток и, как следствие, все потоки топлива, воздуха и воды должны соответственно изменяться. В то же время изменится тепловыделение, и температура должна поддерживаться в пределах расчетного рабочего диапазона.То же самое относится и к установке риформинга, если она является частью системы.

Выходное напряжение системы топливных элементов является фиксированным, но приложение может потребовать другое напряжение или, в случае большинства распределенных генераторов энергии, выход переменного тока. В этих случаях преобразователи постоянного / постоянного тока или инверторы переменного тока могут быть неотъемлемой частью системы.

• Электродвигатели

Для привода насосов и компрессоров требуются двигатели разных размеров.

• Датчики
Датчики

необходимы для контроля температуры, давления, потоков жидкости и газа, а также электрических токов и напряжений.

• Аккумулятор

Топливный элемент не начинает вырабатывать электроэнергию, пока не приблизится к своей рабочей точке. Во время запуска батареи требуются для питания всех электронных систем управления, а также насосов, компрессоров и нагревателей, необходимых для доведения стека до его рабочей точки.

Аккумулятор также обеспечивает независимое стабильное напряжение для питания системной электроники.

Из-за медленных динамических характеристик топливного элемента может также потребоваться, чтобы батарея обеспечивала временный прирост мощности, когда топливный элемент подвергается внезапной нагрузке.

• Системы безопасности

Системы безопасности должны обеспечивать отказоустойчивую работу, защищая систему от недопустимых условий и злоупотреблений и отключая ее при необходимости.

• Система управления

Система не могла бы функционировать без комплексных электронных систем управления для управления всеми перечисленными выше подсистемами.

Электрическая мощность

• Напряжение

Топливные элементы обычно генерируют около 0.От 6 до 0,9 В постоянного тока на элемент.

Из-за внутреннего импеданса и потерь внутри элемента выходное напряжение падает с увеличением тока.

Для обеспечения более высоких напряжений необходимо использовать несколько ячеек в стеке.

• Ток и мощность

Выходной ток отдельной ячейки прямо пропорционален площади электродов.

Как и в случае с батареями, эффективная площадь электродов и, следовательно, их потенциальная токонесущая способность могут быть увеличены без увеличения их физического размера за счет создания пористой поверхности и использования материалов с очень мелкими частицами.

Типичная выходная мощность составляет около 1 Вт / см. ² электродных пластин.

• Динамический отклик Топливные элементы

  PEM работают при относительно низких температурах около 80 ° C (176 ° F), что обеспечивает достаточно быстрое время прогрева (в настоящее время от 10 до 20 секунд) по сравнению с высокотемпературными топливными элементами, для достижения которых требуется до 30 минут. Рабочая Температура.Это особенно важно для автомобильных приложений, требующих быстрого запуска.

• КПД

  Поскольку преобразование энергии в топливных элементах осуществляется в одном процессе прямого преобразования, возможен гораздо более высокий КПД, чем при традиционном производстве электроэнергии с помощью паровых турбин, которые включают три процесса преобразования энергии.

  Топливные элементы	Химическая энергия ⇒ Электроэнергия
  Паротурбинные генераторы	Химическая энергия ⇒ Тепло ⇒ Механическая энергия ⇒ Электрическая энергия

  Поскольку преобразование энергии в топливных элементах является химическим процессом, максимальная эффективность не определяется законом Карно, который применяется к тепловым двигателям.Энергия, выделяемая при химической реакции, определяется изменением свободной энергии Гиббса. Для химических реакций, протекающих в топливных элементах, максимальный теоретический КПД составляет более 85%, что в два-три раза превышает типичный КПД теплового двигателя.

  Как отмечалось выше, выходное напряжение топливного элемента падает по мере увеличения тока, потребляемого от него. В конечном итоге КПД падает по мере увеличения мощности, потребляемой от элемента, так что КПД почти пропорционален выходному напряжению.

  Типичный КПД топливного элемента, работающего при 0,7 В, составляет около 50%. Это означает, что 50% энергии вводимого водорода преобразуется в электрическую энергию; в то время как остальные 50% будут рассеиваться в виде тепла или потеряны из-за неполного окисления внутри ячеек.

  Отработанное тепло от процесса выработки электроэнергии на топливных элементах можно использовать в системах комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) для обеспечения местного обогрева и, таким образом, повышения общей эффективности использования энергии водородного топлива.Это особенно привлекательно для высокотемпературных систем топливных элементов.

  См. Сравнительную таблицу топливных элементов

Варианты топливных элементов

Ряд конструкций топливных элементов, использующих варианты основного химического состава, был разработан для удовлетворения различных проектных или эксплуатационных критериев, таких как менее дорогая конструкция, более эффективное использование топлива, более быстрый запуск или использование более удобных или менее дорогих видов топлива.Более высокая выходная мощность может быть достигнута за счет работы при высоких температурах, использования катализаторов для ускорения химической реакции топливных элементов и использования электродов с большей площадью поверхности. Более низкие рабочие температуры можно получить, используя более дорогие катализаторы.

Основные варианты следующие:

• ПЭМ
Топливные элементы с протонообменной мембраной

имеют базовую конструкцию, описанную выше.Они обладают хорошим сочетанием эффективности, выходной мощности и низкой рабочей температуры, что делает их предпочтительными для автомобильных приложений. Возможна эффективность преобразования до 60%. Хотя максимальная рабочая температура большинства конструкций составляет 100 ° C, чтобы избежать повреждения хрупкой мембраны, некоторые продукты были разработаны для работы при температурах до 120 ° C.

• AFC
В щелочных топливных элементах

используются водные электролиты гидроксида калия.Они были одними из самых первых практических ячеек и использовались в космической программе Аполлона, производя питьевую воду, а также электроэнергию. Хотя они недорогие по сравнению с ячейками PEM, возможен КПД 60%. К сожалению, они имеют низкую выходную мощность, а катализатор подвержен отравлению углекислым газом в атмосфере.

• PAFC
Топливные элементы с фосфорно-кислотным электролитом

работают при высоких температурах около 220 ° C, обеспечивая высокую мощность в мегаватт или более, но с относительно низким КПД около 35%.Следствием низкой эффективности преобразования является высокое тепловыделение в батарее топливных элементов. Из-за высокой рабочей температуры потери эффективности могут быть уменьшены за счет использования отходящего тепла в системах комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ).

• MCFC

Топливные элементы с расплавленным карбонатом работают при еще более высоких температурах от 650 ° C до 1000 ° C. Их уникальный химический состав требует, чтобы углекислый газ из воздуха был частью процесса.Достигнутый КПД составляет 45% или более, а выходная мощность более 1 МВт типична для приложений электроснабжения. Благодаря высокой рабочей температуре они могут работать непосредственно с углеводородными газами, которые реформируются внутри ячейки, и не требуют отдельной подачи водорода. Высокая температура также означает, что необходимы менее дорогие катализаторы, но расплавленный электролит предъявляет особые требования к защитным мерам и мерам защиты от коррозии.

• ТОТЭ
Твердооксидные топливные элементы

также работают при тех же или более высоких температурах, что и элементы с расплавленным карбонатом, с теми же преимуществами топлива и катализатора.Керамический электролит, который может нагреваться до 800 градусов Цельсия, имеет то преимущество, что электролит остается твердым. Они могут обеспечивать мощность в несколько мегаватт, но при более низком КПД около 35%.

• DMFC
Топливные элементы с прямым метанолом

похожи на элементы PEM, но вместо чистого водорода они используют недорогое углеводородное жидкое топливо, что позволяет избежать как проблем с подачей водорода, так и необходимости в установке местного (или бортового) риформинга.Они работают при низких температурах от 50 ° C до 100 ° C, однако выходная мощность невысока, что ограничивает их возможное применение портативным электронным оборудованием.

См. Также сравнительную таблицу топливных элементов для получения более подробной информации.

Стоимость системы / кВт

Следует проявлять осторожность при сравнении затрат, поскольку некоторые оценки могут относиться только к батарее топливных элементов, в то время как другие могут включать весь баланс затрат на установку, что может удвоить стоимость.

Банкноты

1. Приведенные ниже затраты представляют собой предполагаемые большие объемы производственных затрат. Фактические затраты на небольшие объемы будут значительно выше.
2. Указанные затраты включают остаток на заводе, но не затраты, связанные с конкретными приложениями.
3. Затраты для конечного пользователя могут в несколько раз превышать производственные затраты, чтобы учесть техническую поддержку, затраты на гарантийное обслуживание, затраты на сбыт и размер прибыли по всей цепочке поставок от производителя до точки продаж.

Большие системы, обеспечивающие распределенную генерацию электроэнергии, значительно дороже небольших систем, используемых в автомобильных приложениях. В настоящее время затраты составляют около 650 долларов США за кВт.

Альянс по преобразованию твердотельной энергии (SECA), созданный Министерством энергетики США для содействия разработке экологически чистых твердооксидных топливных элементов (SOFC), имеет целевую стоимость модуля твердотельного топливного элемента не более 400 долларов США / кВт. .По этой цене топливные элементы будут конкурировать с газовыми турбинами и дизельными генераторами.

Automotive ICE в настоящее время стоят около 25-35 долларов за киловатт. Чтобы технология была конкурентоспособной, система топливных элементов должна стоить менее 50 долларов за кВт. В настоящее время затраты составляют около 70 долларов США за кВт.

Проект FreedomCAR в США установил целевые затраты на топливные элементы PEM на уровне 45 долл. США / кВт к 2010 г. и 30 долл. США / кВт к 2015 г.

Расходы на топливо

Реальная стоимость энергии, поставляемой топливными элементами, во многом зависит от стоимости потребляемого водорода, а это, в свою очередь, зависит от того, как водород был произведен.

До недавнего времени паровая конверсия природного газа была самым дешевым способом производства водорода, но производственные затраты росли вместе со стоимостью топлива.В настоящее время, если предположить, что стоимость природного газа составляет около 10 долларов США за M Btu (Миллион Btu), общая стоимость водорода на производственном предприятии составит около 5 долларов США / кг. К этой сумме прибавятся расходы на герметизацию газа и его доставку по заправочным станциям.

Производство водорода электролизом из электроэнергии ветряной электростанции в настоящее время является самым дешевым способом производства газа.

В настоящее время розничная цена на водород под давлением от несубсидируемого поставщика составляет около 100 долларов за кг плюс аренда баллона.

Автомобильная промышленность

• Технологии

Хотя концептуальные модели и прототипы, которые включают в себя установки для риформинга водорода, были произведены, в самых последних предложениях используется газообразный водород в контейнерах высокого давления.Из общего числа новых автомобилей на топливных элементах, объявленных в 2005 и 2006 годах, только в одном автомобиле не использовалась батарея PEM со сжатым водородом.

Технология

PEM является предпочтительной из-за ее высокой выходной мощности, относительно низкой стоимости, низкой рабочей температуры и быстрого запуска.

• Динамические характеристики

Переходное время отклика для увеличения выходной мощности с 10% номинальной мощности до 90% составляет 2 секунды.

Время холодного пуска для достижения 50% номинальной мощности составляет около 20 секунд

Медленное реагирование на требования к мощности может быть опасным в автомобильном приложении. По этой причине мощность топливных элементов должна быть увеличена за счет энергии, хранящейся в батарее или суперконденсаторах.

Обратите внимание, что, поскольку топливный элемент не может накапливать энергию, он не может улавливать энергию, рекуперированную при рекуперативном торможении.Это еще одна причина, по которой автомобильные топливные элементы должны включать аккумуляторы.

• Расход топлива

Текущая производительность легковых автомобилей составляет от 40 до 60 миль на кг водорода.

• Срок службы

Целевой срок службы топливных элементов согласно DOE EERE в США составляет 5000 часов

В настоящее время продемонстрированный срок службы в 2000 часов является наилучшим из достигнутых.

• Подача топлива

Отсутствие распределительной сети было одним из многих факторов, которые препятствовали коммерческому применению водородной энергии в автомобилях, будь то топливные элементы или сжигание в двигателе внутреннего сгорания. Кроме того, некоторые считали, что перевозка водорода в контейнерах высокого давления представляет собой угрозу безопасности.По этой причине на борту было предложено производство водорода с использованием установок парового риформинга, и были разработаны прототипы систем. Уменьшение масштабов промышленных установок парового риформинга для создания надежных, недорогих, портативных систем оказалось очень трудным, и, к сожалению, стоимость установки риформинга, ее сложность и снижение веса перевесили преимущества ее отсутствия от потребности в водородной инфраструктуре. Использование риформинга в автомобильной промышленности похоже на то, как носить с собой собственный химический завод для питания топливного элемента автомобиля.

Кроме того, из-за выхлопного газа установки риформинга CO ₂ автомобиль больше не может называться автомобилем с нулевым выбросом (ZEV). Помимо соображений по связям с общественностью, в некоторых странах это может иметь налоговые последствия.

По этим причинам чистый водород является выбранным топливом для текущего поколения транспортных средств, работающих на водороде. Это означает, что автомобили должны перевозить тяжелые и громоздкие контейнеры для хранения водорода.Выбор стоит между контейнерами высокого давления и криогенными контейнерами. Из-за стоимости и сложности криогенного решения почти все автомобили на топливных элементах используют более экономичные контейнеры высокого давления. Для перевозки достаточного количества топлива на разумный диапазон от 200 до 300 миль необходимо давление хранения от 35 МПа (5000 фунтов на квадратный дюйм) до 70 МПа (10000 фунтов на квадратный дюйм) в зависимости от приоритетов конструкции транспортного средства (ускорение, скорость, вес, полезная нагрузка и т. Д.).

Заправочные станции должны обеспечивать подачу водорода при давлении 70 МПа, чтобы соответствовать требованиям хранения транспортного средства.

Распределенная электроэнергетика

Это приложение было предложено для использования в топливных элементах большой емкости.

таких установок нуждаются в инверторах для обеспечения переменного тока, синхронизированного с национальной сетью.

Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ)

Химическая реакция, протекающая в топливном элементе, представляет собой экзотермическое каталитическое окисление.

Избыточное тепло, генерируемое в высокотемпературных топливных элементах, таких как SOFC, PAFC и MCFC, можно улавливать и использовать для нагрева воды в комбинированном применении тепла и электроэнергии (ТЭЦ), обеспечивая общий КПД системы 80% или более.

ТЭЦ — идеальный способ утилизации отработанного тепла менее эффективных генераторов электроэнергии на топливных элементах.

Сжигание водорода в двигателе внутреннего сгорания

С небольшими изменениями можно заменить бензин (бензин) на водород в качестве топлива в двигателе внутреннего сгорания.Это дает главное преимущество использования хорошо известной, испытанной и испытанной технологии электростанции для получения преимуществ от производства электроэнергии с нулевым уровнем выбросов, избегая при этом всех технологических рисков, осложнений и затрат, связанных с топливными элементами.

• Применение в автомобилестроении

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, уже используются в тяговых (автомобильных) системах без выбросов.Самые ранние экземпляры были построены в Германии Рудольфом Эрреном в 1920-х годах.

Автомобильные двигатели также могут быть разработаны для использования на нескольких видах топлива с возможностью использования сжиженного нефтяного газа (СНГ) или других видов топлива, а также водорода. Это может быть привлекательным вариантом для первых пользователей водородной технологии, обеспечивающим душевное спокойствие в длительных поездках, пока не будет установлена ​​хорошо развитая сеть заправочных станций.

• Производство электроэнергии

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, также могут использоваться с роторными генераторами для выработки электроэнергии, как показано на следующей диаграмме:

Хотя это вполне жизнеспособные, небольшие автономные генераторы электроэнергии, работающие на водороде, с большей вероятностью будут использовать топливные элементы.

Подача водородного топлива

Независимо от того, является ли топливный элемент статическим или портативным, как в автомобилях, для поддержания электрической мощности требуется постоянная подача водорода. Есть два варианта: построить инфраструктуру распределения водорода с заправочными станциями, на которых можно будет разливать газ, или произвести газ там, где он будет использоваться.

Водород производится при низком давлении, но его необходимо транспортировать и распределять при высоком давлении, чтобы уменьшить его объем до приемлемого уровня.Для приложений, поставляемых с центрального завода по производству водорода, затраты на сжатие, транспортировку и хранение водородного топлива значительно увеличивают стоимость производства газа.

• Производство водорода
  Около 85% мирового водорода производится на установках парового риформинга, из которых около 5% образуется в результате электролиза. Он также производится как побочный продукт при производстве гидроксида натрия (каустической соды) и другими способами.Производство водорода путем электролиза в больших объемах нецелесообразно с экономической точки зрения, и электролиз также не подходит для производства водорода на борту в автомобильной промышленности, для которой предпочтительным решением являются установки парового риформинга. Электролиз, однако, часто находит применение в качестве метода улавливания избыточной энергии в виде накопленного водорода от электростанций, таких как ветряные и солнечные системы, которые имеют нерегулярный режим генерации или нагрузки.
• Электролиз

Электролизеры генерируют водород, расщепляя молекулу воды H ₂ O на составляющие ее элементы водород и кислород в процессе, обратном электрохимическому действию, которое имеет место в топливном элементе.Электрический ток пропускается через воду между двумя электродами. Водород образуется на катоде, подключенном к отрицательной клемме напряжения питания, а кислород образуется на аноде, подключенном к положительной клемме напряжения питания.

Скорость образования водорода прямо пропорциональна току, протекающему между электродами. (Закон Фарадея)

Теплотворная способность водорода составляет около 39 кВтч / кг.Принимая во внимание неэффективность процесса, для производства 1 кг водорода требуется более 50 кВтч электроэнергии.

Эффективность преобразования электролизеров, используемых для создания водорода, составляет от 60% до 80% в зависимости от силы тока и материалов, используемых для электролитов и электродов.

Когда основной целью электролизера является хранение излишков электроэнергии, генерируемой солнечной или ветровой энергией, для последующего использования в топливном элементе, «эффективность в оба конца» процесса хранения (из электричества в водород и обратно в электричество) составляет 30%. и 50%.Это невыгодно по сравнению с аккумуляторным хранением, где эффективность приема-передачи, известная как кулоновская эффективность на языке аккумуляторных батарей, составляет более 90% для свинцово-кислотных аккумуляторов и даже больше для литиевых.

• Паровой риформер

Если запас водорода не доступен, автономные и портативные системы должны генерировать собственное водородное топливо на месте.Обычно это достигается с использованием процесса парового риформинга.

Паровой риформинг — это метод производства водорода из углеводородного (ископаемого) топлива, такого как природный газ, который состоит в основном из метана (CH ₄ ) и метанола (CH ₃ OH), которые реагируют с паром при высоких температурах выше катализатор.Атомы водорода удаляются как из молекул углеводорода, так и из воды в двухстадийной реакции с образованием газообразного водорода, выходящего из двуокиси углерода, парникового газа, в качестве нежелательного побочного продукта процесса.

Этот процесс используется на крупных промышленных предприятиях, но уменьшенные версии с трудом были разработаны для использования в автомобилях. Помимо проблем масштаба, автомобильные приложения имеют дополнительное требование, что они должны работать в режиме следования за нагрузкой, тогда как промышленные предприятия, как правило, работают в фиксированной рабочей точке, которая соответствует максимальной эффективности.

На первой стадии процесса риформинга молекула углеводорода расщепляется с водой или без воды, чтобы высвободить содержащийся в ней водород, однако в то же время это также приводит к высвобождению окиси углерода (CO), который, помимо того, что является ядовитым для человека, также отравляет большинство топливных элементов. Таким образом, реакция риформинга включает в себя вторую стадию, известную как реакция конверсии водяного газа, в которой монооксид углерода превращается в менее проблемный диоксид углерода (CO ₂ ) при одновременном генерировании большего количества водорода.

Химические реакции риформинга метанола и метана являются типичными и резюмируются следующим образом:

• Риформинг метанола

Метанол и вода испаряются и проходят через нагретую камеру, содержащую катализатор, где молекулы метанола расщепляются на оксид углерода и газообразный водород (H ₂ ) в следующей реакции.

CH ₃ OH ⇒ CO + 2H ₂

Эта реакция сильно эндотермична и протекает при высоком давлении и температуре выше 800 ° C, хотя использование новых катализаторов снижает эту рабочую температуру. Это дорогостоящий процесс из-за высоких температур и давления.

В то же время происходит вторая реакция, реакция конверсии водяного газа, в которой молекула водяного пара расщепляется, позволяя кислороду из воды соединяться с монооксидом углерода, который был получен в первой реакции, с образованием диоксида углерода высвобождает больше свободного газообразного водорода.

H ₂ O + CO ⇒ CO ₂ + H ₂

Эта вторая реакция экзотермична и очень важна, поскольку удаляет окись углерода, которая отравляет большинство топливных элементов.

Полная реакция риформинга метанола может быть представлена ​​как.

CH ₃ OH + H ₂ O ⇒ CO ₂ + 3H ₂

• Риформинг природного газа

Природный газ, состоящий в основном из метана (CH ₄ ), обрабатывается с использованием реакции, аналогичной реакции образования метанола.Метан в природном газе реагирует с водяным паром с образованием окиси углерода и водорода.

CH ₄ + H ₂ O ⇒ CO + 3H ₂

За этим следует реакция конверсии водяного газа, как и при риформинге метанола.

H ₂ O + CO ⇒ CO ₂ + H ₂

Общая реакция реформинга метана, таким образом, составляет:

CH ₄ + 2H ₂ O ⇒ CO ₂ + 4H ₂

Общая термодинамическая эффективность процесса составляет от 70% до 85% в зависимости от чистоты водородного продукта.

Бензин также используется в качестве продукта риформинга, но выход из установок риформинга бензина требует специальной фильтрации и очистки для удаления различных добавок и примесей в топливе.

• Проблемы проектирования

Реформирование не так просто, как кажется, особенно когда водород предназначен для потребления в топливных элементах.

• Загрязнение

Сырье, природный газ и метанол, используемые для подачи в установку риформинга, происходят из природных источников, в состав которых могут входить различные загрязнители, такие как сера, все из которых остаются после процесса риформинга, и все они могут быть вредными для эксплуатации. топливного элемента. Незавершенные реакции также оставляют часть исходных углеводородов, воду и монооксид углерода вместе с неизбежным диоксидом углерода, загрязняющим выход водорода.

Все эти загрязнители должны быть удалены перед использованием водорода.

• Температура

Из-за высоких температур в конструкции установки риформинга и используемых в ней катализаторов должны использоваться дорогие материалы.

Вторая проблема возникает из-за того, что длительное время, необходимое риформинг-установке для достижения своей повышенной рабочей температуры, приводит к длительной задержке запуска, прежде чем топливный элемент сможет начать подавать энергию.Это неприемлемо для современных автомобильных приложений, и в настоящее время проводится большая работа по поиску способов уменьшения этой задержки.

• Хранение водорода

Водород в жидкой форме очень легкий, с плотностью 77 кг / м ³ , чуть более одной десятой плотности бензина / бензина (702 кг / м ³ ), но его теплотворная способность 39,4 кВтч / кг в три раза больше. бензина (13 кВтч / кг).

В газообразной форме Водород имеет небольшой вес, но очень большой объем при атмосферном давлении. График ниже, однако, показывает, что плотность энергии водорода резко падает, когда он переходит из жидкого состояния в газообразное. Для достижения такой же плотности энергии в газообразном состоянии, как и в жидком, давление газа должно быть увеличено с 0,5 мегапаскалей (72,5 фунтов на кв. Дюйм) до 200 мегапаскалей (29 000 фунтов на квадратный дюйм). Обратите внимание на логарифмический масштаб.

Чтобы найти подходящие контейнеры для хранения водорода, необходимо решить серьезные проблемы проектирования.Из-за его физических свойств требования к хранению в виде жидкости радикально отличаются от требований к хранению в виде газа. Для автомобильных приложений, где применяются ограничения по пространству и весу, эти проблемы могут быть острыми. Независимо от того, хранится ли он в виде жидкости или газа, локализация также является проблемой, поскольку молекулы водорода очень маленькие и легкие, они обладают высокой диффузией и имеют тенденцию проникать через свой контейнер даже при низком давлении.

Утечка также может представлять потенциальную опасность на заправочных станциях, когда топливные баки заправляются при очень высоком давлении через механические заправочные муфты.Никто не хочет катастрофы Гинденберга, когда он заправляет свой автомобиль.

• Хранение в жидкой форме

Жидкий водород можно хранить при низком давлении (0,5 МПа) (72,5 фунта на кв. Дюйм), но его необходимо хранить в холодном состоянии.

Контуры охлаждения и изоляция необходимы, чтобы поддерживать температуру кипения ниже 20,3 ° K (-252,9 ° C)

Вес бака и системы охлаждения для хранения 10 кг водорода составляет около 150 кг.

Также необходимо затратить много энергии на снижение температуры и ее поддержание.

• Хранение в газообразном состоянии

Из-за его низкой плотности в газообразной форме, даже при очень высоком давлении, водород не является привлекательной средой для хранения с точки зрения объема.

Для использования в автомобилях пространство, зарезервированное для хранения топлива, ограничено.Чтобы в контейнере разумного размера было достаточно водорода, чтобы обеспечить движение транспортного средства на расстояние около 300 миль между регулярными заправками, газ должен храниться под очень высоким давлением. Для этого требуются дорогостоящие защитные сосуды из углеродного волокна или кевлара, способные выдерживать очень высокое давление до 70 МПа (около 10 000 фунтов на квадратный дюйм).

Сжатие газа также требует энергии для питания компрессора, и более высокое рабочее давление будет означать, что на этапе сжатия будет потеряно больше энергии.

Текущее поколение баллонов для хранения может хранить около 7,5% водорода по весу, а сосуды с более высоким давлением, хранящие более 10% по весу, находятся в стадии разработки.

• Хранение в гидридной форме

Некоторые гидриды металлов обладают способностью поглощать водород, как губка, и выделять его позже, либо при комнатной температуре, либо при нагревании.Эти сплавы такие же, как и в никель-металлогидридных батареях.

Практические системы способны поглощать водород до 1% или 2% от своего веса или до 5% или более при более высоких температурах. Удаление тепла запускает процесс адсорбции. Добавление тепла меняет химическую реакцию и заставляет атомы водорода преобразовываться в молекулы водорода. Система работает при относительно низком давлении около 2,4 МПа (350 фунтов на квадратный дюйм), обеспечивая безопасный метод хранения и доставки водорода при постоянном давлении.

Однако вполне вероятно, что использование металлогидрида для хранения водорода будет ограничено небольшими приложениями из-за низкой плотности энергии, а также стоимости и времени, необходимых для заполнения и извлечения водорода.

К сожалению, характеристики гидридов металлов со временем ухудшаются из-за примесей в газе, загрязняющих активную поверхность сплава.

Водородная энергия и окружающая среда — источник зеленой энергии ???

Более 85% мировых запасов водорода получают из ископаемого топлива с использованием процесса парового риформинга на крупных промышленных предприятиях или в уменьшенных небольших портативных установках.Все эти установки производят одинаковое количество углекислого газа в качестве нежелательного побочного продукта процесса, как если бы топливо было просто сожжено.

В то время как топливные элементы, используемые в электромобилях с нулевым выбросом (ZEV), могут производить только воду в выхлопной трубе, риформеры, питающие топливный элемент, создают столько же парниковых газов, сколько двигатель внутреннего сгорания.

Даже относительно небольшое количество водорода, производимого электролизом, в основном получается при сжигании ископаемого топлива, поскольку таким образом вырабатывается более двух третей мировой электроэнергии.См. Таблицу расхода топлива. Единственный способ снизить потребление ископаемого топлива, используемого для производства 5% водорода, производимого электрическими средствами, — это ввод в эксплуатацию большего количества атомных электростанций и возобновляемых источников энергии.

См. Также Генераторы

Вернуться к Обзор электроснабжения