Как собрать водородный генератор своими руками

Водород практически идеальный вид топлива, но проблема заключается в том, что он на нашей планете встречается только в виде соединений с другими химическими элементами. Доля «чистого» вещества в атмосфере составляет не более 0,00005%. Учитывая такие реалии, становится актуальным вопрос о водородном генераторе. Рассмотрим принцип работы такого устройства, его конструктивные особенности, сферу применения и возможность самостоятельного изготовления.

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.

Пример электролиза на растворе хлорида натрия

Конструктивные особенности и устройство генератора водорода

Если с получением водорода проблем сейчас практически нет, то его транспортировка и хранение до сих пор остается актуальной задачей. Молекулы этого вещества настолько малы, что могут проникать даже сквозь металл, что несет определенную угрозу безопасности. Хранение в абсорбированном виде пока не отличается высокой рентабельностью. Поэтому наиболее оптимальный вариант – генерация водорода непосредственно перед его использованием в производственном цикле.

Для этой цели изготавливаются промышленные установки для генерации водорода. Как правило, это электролизеры мембранного типа. Упрощенная конструкция такого устройства и принцип работы приведен ниже.

Упрощенная схема водородного генератора мембранного типа

Обозначения:

  • А – трубка для отвода хлора (Cl2).
  • B – отвод водорода (Н2).
  • С – анод, на котором происходит следующая реакция: 2CL–→CL2 + 2е–.
  • D – катод, реакцию на нем можно описать следующим уравнением: 2Н2О + 2е– →Н2 + ОН–.
  • Е – раствор воды и хлористого натрия (Н2О & NaCl).
  • F – мембрана;
  • G – насыщенный раствор хлористого натрия и образование каустической соды (NaОН).
  • H – отвод рассола и разбавленной каустической соды.
  • I – ввод насыщенного рассола.
  • J – крышка.

Конструкция бытовых генераторов значительно проще, поскольку в большинстве своем они не вырабатывают чистый водород, а производят газ Брауна. Так принято называть смесь кислорода и водорода. Этот вариант наиболее практичен, не требуется разделять водород и кислород, то можно значительно упростить конструкцию, а значит и сделать ее дешевле. Помимо этого полученный газ сжигается по мере его выработки. Хранить и накапливать его в домашних условиях не только проблематично, но и небезопасно.

Конструкция водородной ячейки бытового электролизера

Обозначения:

  • а – трубка для отвода газа Брауна;
  • b – впускной коллектор подачи воды;
  • с – герметичный корпус;
  • d – блок пластин электродов (анодов и катодов), с установленными между ними изоляторами;
  • e – вода;
  • f – датчик уровня воды (подключается к блоку управления);
  • g – фильтр водоотделения;
  • h – подвод питания, подаваемого на электроды;
  • i – датчик давления (подает сигнал блоку управления при достижении порогового уровня);
  • j – предохранительный клапан;
  • k – отвод газа с предохранительного клапана.

Характерная особенность таких устройств – использование блоков электродов, поскольку не требуется сепарирование водорода и кислорода. Это позволяет сделать генераторы довольно компактными.

Блоки электродов для установки, которая производит газ Брауна

Сферы применения водородного генератора

Ввиду проблем, связанных с транспортировкой и хранением водорода, такие устройства востребованы в производствах, где наличие этого газа требует технологический цикл. Перечислим основные направления:

  1. Производства, связанные с синтезом хлороводорода.
  2. Изготовление топлива для ракетных двигателей.
  3. Создание удобрений.
  4. Производство нитрида водорода (аммиака).
  5. Синтез азотной кислоты.
  6. В пищевой промышленности (для получения твердых жиров из растительных масел).
  7. Обработка металла (сварка и резка).
  8. Восстановление металлов.
  9. Синтез метилового спирта
  10. Изготовление соляной кислоты.

Основные сферы применения генераторов водорода в промышленности

Несмотря на то, что производство водорода в процессе переработки нефти дешевле, чем его получение путем электролиза, как уже указывалось выше, возникают сложности с транспортировкой газа. Строить опасные химические производства, непосредственно, рядом с перерабатывающими нефть заводами не всегда позволяет экологическая обстановка. Помимо этого водород, полученный путем электролиза, значительно чище, чем при крекинге нефти. В связи с этим на промышленные водородные генераторы всегда высокий спрос.

Бытовое применение

В быту также есть применение водороду. В первую очередь это автономные отопительные системы. Но здесь некоторые особенности. Установки по производству чистого водорода стоят значительно дороже, чем генераторы газа Брауна, последние даже можно собрать самостоятельно. Но при организации отопления дома необходимо учитывать, что температура горения газа Брауна значительно выше, чем у метана, поэтому потребуется специальный котел, который несколько дороже обычного.

Топливный котел должен иметь соответствующую метку

В интернете можно встретить немало статей, в которых написано, что для гремучего газа можно использовать обычные котлы, это делать категорически нельзя. В лучшем случае они быстро выйдут из строя, а в худшем могут стать причиной печальных или даже трагических последствий. Для смеси Брауна предусмотрены специальные конструкции с более термостойким соплом.

Необходимо заметить, что рентабельность отопительных систем на основе водородных генераторов вызывает большое сомнение ввиду низкого КПД. В таких системах имеются двойные потери, во-первых, в процессе генерации газа, во-вторых, при нагреве воды в котле. Дешевле для отопления сразу нагревать воду в электрическом бойлере.

Не менее спорная реализация для бытового использования, при которой газом Брауна обогащают бензин в топливной системе двигателя автомобиля с целью экономии.

Применение генератора ННО в авто

Обозначения:

  • а – генератор ННО (принятое обозначение для газа Брауна);
  • b – отвод газа в камеру сушки;
  • с – отсек для удаления водяных паров;
  • d – возвращение конденсата в генератор;
  • е – подача осушенного газа в воздушный фильтр топливной системы;
  • f – автомобильный двигатель;
  • g – подключение к аккумулятору и электрогенератору.

Нужно заметить, что в некоторых случаях такая система даже работает (если ее собрать правильно). Но точные параметры, коэффициент прироста мощности, процент экономии вы не найдете. Эти данные сильно размыты, и достоверность их вызывает сомнения. Опять же не ясен вопрос, насколько уменьшится ресурс двигателя.

Но спрос порождает предложения, в интернетах можно найти подробные чертежи таких приспособлений и инструкцию по их подключению. Есть и готовые модели, сделанные в стране Восходящего Солнца.

Делаем простейший генератор водорода своими руками пошагово

Расскажем, как можно сделать самодельный генератор для получения смеси водорода и кислорода (ННО). Его мощности на отопления дома не хватит, но для газовой горелки для резки металла количество полученного газа будет достаточным.

Рис. 8. Схема газовой горелки

Обозначения:

  • а – сопло горелки;
  • b – трубки;
  • c – водные затворы;
  • d – вода;
  • е – электроды;
  • f – герметичный корпус.

В первую очередь делаем электролизер, для этого нам понадобится герметичная емкость и электроды. В качестве последних используем стальные пластины (их размер выбираем произвольно, в зависимости от желаемой производительности), прикрепленные к диэлектрическому основанию. Соединяем между собой все пластины каждого из электродов.

Когда электроды готовы их надо укрепить в емкости таким образом, чтобы места подключения проводов питания были выше предполагаемого уровня воды. Провода от электродов идут к блоку питания на 12 вольт или автомобильному аккумулятору.

В крышке емкости делаем отверстие под трубку для выхода газа. В качестве водных затворов можно использовать обычные стеклянные банки емкостью 1 литр. Заполняем их на 2/3 водой и подключаем к электролизеру и горелке, как показано на рисунке 8.

Горелку лучше взять готовую, поскольку не каждый материал может выдержать температуру горения газа Брауна. Подключаем ее к выходу последнего водного затвора.

Наполняем электролизер водой, в которую добавлена обычная кухонная соль.

Подаем напряжение на электроды и проверяем работу устройства.

Использование водорода в качестве энергоносителя для обогрева дома – идея весьма заманчивая, ведь его теплотворная способность (33.2 кВт / м3) превышает более чем в 3 раза показатель природного газа (9.3 кВт / м3). Теоретически, чтобы извлечь горючий газ из воды с последующим сжиганием его в котле, можно использовать водородный генератор для отопления. О том, что из этого может получиться и как сделать такое устройство своими руками, будет рассказано в данной статье.

Принцип работы генератора

Как энергоноситель водород действительно не имеет себе равных, а запасы его практически неисчерпаемы. Как мы уже сказали, при сжигании он выделяет огромное количество тепловой энергии, несравнимо большее, нежели любое углеводородное топливо. Вместо вредных соединений, выбрасываемых в атмосферу при использовании природного газа, при горении водорода образуется обычная вода в виде пара. Одна беда: данный химический элемент не встречается в природе в свободном виде, только в соединении с другими веществами.

Одно из таких соединений – обычная вода, представляющая собой полностью окисленный водород. Над ее расщеплением на составные элементы работали многие ученые в течение долгих лет. Нельзя сказать, что безрезультатно, ведь техническое решение по разделению воды все же было найдено. Его суть – в химической реакции электролиза, в результате которой происходит расщепление воды на кислород и водород, полученную смесь назвали гремучим газом или газом Брауна. Ниже показана схема водородного генератора (электролизера), работающего на электричестве:

Электролизеры производятся серийно и предназначены для газопламенных (сварочных) работ. Ток определенной силы и частоты подается на группы металлических пластин, погруженных в воду. В результате протекающей реакции электролиза выделяются кислород и водород вперемешку с водяным паром. Для его отделения газы пропускаются через сепаратор, после чего подаются на горелку. Дабы избежать обратного удара и взрыва, на подаче устанавливается клапан, пропускающий горючее только в одну сторону.

Для контроля за уровнем воды и своевременной подпитки конструкцией предусмотрен специальный датчик, по сигналу которого производится ее впрыск в рабочее пространство электролизера. За превышением давления внутри сосуда следит аварийный выключатель и сбросной клапан. Обслуживание водородного генератора заключается в периодическом добавлении воды, и на этом все.

Водородное отопление: миф или реальность?

Генератор для сварочных работ – это на данный момент единственное практическое применение электролитическому расщеплению воды. Использовать его для отопления дома нецелесообразно и вот почему. Затраты энергоносителей при газопламенных работах не так важны, главное, что сварщику не нужно таскать тяжеленные баллоны и возиться со шлангами. Другое дело – отопление жилища, где каждая копейка на счету. И тут водород проигрывает всем существующим ныне видам топлива.

Важно. Затраты электроэнергии на выделение горючего из воды методом электролиза будут гораздо выше, нежели гремучий газ сможет выделить при сжигании.

Серийные сварочные генераторы стоят немалых денег, поскольку в них используются катализаторы процесса электролиза, в состав которых входит платина. Можно сделать водородный генератор своими руками, но его эффективность будет еще ниже, чем у заводского. Получить горючий газ вам точно удастся, но вряд ли его хватит на обогрев хотя бы одной большой комнаты, не то что целого дома. А если и хватит, то придется оплачивать баснословные счета за электричество.

Чем тратить время и усилия на получение бесплатного топлива, которого не существует априори, проще смастерить своими руками простой электродный котел. Можете быть уверены, что так вы израсходуете гораздо меньше энергии с большей пользой. Впрочем, домашние мастера – энтузиасты всегда могут попробовать свои силы и собрать дома электролизер, с целью провести эксперименты и убедиться во всем самолично. Один из подобных экспериментов показан на видео:

Как изготовить генератор

Масса интернет-ресурсов публикуют самые разные схемы и чертежи генератора для получения водорода, но все они действуют по одному принципу. Мы предложим вашему вниманию чертеж простого устройства, взятый из научно-популярной литературы:

Здесь электролизер представляет собой группу металлических пластин, стянутых между собой болтами. Между ними установлены изоляционные прокладки, крайние толстые обкладки тоже изготовлены из диэлектрика. От штуцера, вмонтированного в одну из обкладок, идет трубка для подачи газа в сосуд с водой, а из него – во второй. Задача емкостей – отделять паровую составляющую и накапливать смесь водорода с кислородом, чтобы подавать его под давлением.

Совет. Электролитические пластины для генератора надо делать из нержавеющей стали, легированной титаном. Он послужит дополнительным катализатором реакции расщепления.

Пластины, что служат электродами, могут быть произвольного размера. Но надо понимать, что производительность аппарата зависит от их площади поверхности. Чем большее число электродов удастся задействовать в процессе, тем лучше. Но при этом и потребляемый ток будет выше, это следует учитывать. К концам пластин припаиваются провода, ведущие к источнику электричества. Здесь тоже есть поле для экспериментов: можно подавать на электролизер разное напряжение с помощью регулируемого блока питания.

В качестве электролизера можно применить пластиковый контейнер от водяного фильтра, поместив в него электроды из нержавеющих трубок. Изделие удобно тем, что его легко герметизировать от окружающей среды, выводя трубку и провода через отверстия в крышке. Другое дело, что этот самодельный водородный генератор обладает невысокой производительностью из-за малой площади электродов.

Заключение

На данный момент не существует надежной и эффективной технологии, позволяющей реализовать водородное отопление частного дома. Те генераторы, что имеются в продаже, могут успешно применяться для обработки металлов, но не для производства горючего для котла. Попытки организовать подобный обогрев приведут к перерасходу электроэнергии, не считая затрат на оборудование.