Ф.Г.Лепехин - Электролиз воды. Рассматривается возможность осуществления энергетически выгодного способа получения водорода в низковольтном электролизе воды. При этом, расчетное количество тепла, которое можно получить после сгорания водорода может быть даже больше энергии, взятой из сети на проведение процесса получения водорода. В таком процессе водород становится не просто "топливом", а является на самом деле рабочим телом теплового насоса, т. к. энергия, необходимая для диссоциации молекул воды на водород и кислород получается за счет уменьшения внутренней энергии окружающей среды. А это энергия Солнца, накопленная Землей за миллионы лет своего существования. По человеческим меркам запасы ее безграничны. Показано, что такая возможность не противоречит никаким хорошо установленным законам физики, а, следовательно, может быть технически осуществлена.

1. Введение

Проблемы водородной энергетики в последние годы обсуждаются в СМИ, и на разных уровнях - от Президента США Д. Буша, до Президиума РАН. Есть автомобили и самолеты, использующие водород в качестве топлива. Чаще всего указывается на экологическую чистоту водорода как топлива - при сгорании образуется вода, из которой он, в принципе, может быть получен, и получается, в больших количествах в промышленных электролизерах. Конечно, его можно получать, например, из метана, но нужен метан, или другой газ, который горит и без добычи из него водорода. А в промышленных электролизерах затраты энергии на получение водорода в полтора - два раза больше, чем может быть получено тепла при сгорании этого водорода. Но электроэнергию, уже полученную при сгорании углеводородного топлива, можно превратить хоть в тепло, хоть в работу, а полученное при сгорании водорода тепло полностью ни в электроэнергию, ни в работу уже превратить невозможно. Получение водорода как топлива, а не как сырья химической промышленности для производства другого товара, экономически не выгодно. Дорого. В этом и состоит основная проблема использования водорода в качестве топлива. Нельзя сказать, что поиском ее решения не занимались. Но фактом является то, что она до сих пор не решена. Можно ли вообще ее найти, что этому мешает, и в каком направлении это решение надо искать, - все эти вопросы и будут рассматриваться в этой работе.

2. Физика и электрохимия

Так как предметом рассмотрения является электролиз воды, а открытие и основные его закономерности изучались в физике, то и начнем с физики. В фундаментальном "Курсе физики" О. Д. Хвольсона читаем: "Явление, которое происходит в электролите, введенном в замкнутую цепь, называется электролизом". Здесь же определяется что такое "электролит", "анион" и "катион". И далее, там же: "С внешней стороны анион и катион представляются продуктами разложения электролита, и притом разложения, произведенного током, проходящим через электролит". При электролизе некоторых кислот и щелочей выделяются кислород и водород. Мы видим, что "ток разлагает воду". Так и считали это как само собой разумеющееся и очевидное до второй половины 19 века.

Однако, в работах Клаузиуса (1857), Гельмгольца (1880) и Аррениуса (1894), был установлен механизм электролиза, созданы основы теории электролитической диссоциации, которые не устарели и сегодня. Уже Клаузус указал, что если исходить из того представления, что электрические силы "разлагают" электролит, преодолевая силу химического сродства, то для каждого химического соединения потребовалась бы некоторая определенная электрическая сила, чтобы преодолеть это сродство. "На деле же даже самая слабая электродвижущая сила вызывает электролиз во всяком электролите" - стр. 564, .

Главная заслуга Гельмгольца состоит в том, что он точно указал на роль электрического тока, выяснил, откуда берется та энергия, которая очевидно расходуется при электролизе, и которая численно равна энергии, выделяющейся при химическом соединении продуктов электролиза. При электролизе воды это энергия, выделяющееся при сгорании водорода и образовании воды. По Гельмгольцу разложение воды при электролизе осуществляется за счет внутренней энергии электролита, а вовсе не "ток разлагает воду". Именно на этом и основана идея использования водорода как рабочего тела теплового насоса при определенных условиях проведения электролиза воды. Но об этом подробнее чуть ниже, а пока обратимся к электрохимии.

Она определяет электролиз как "процесс восстановления или окисления веществ на электродах, сопровождаемый приобретением или потерей электронов частицами вещества в результате электрохимической реакции" (см. А. И. Левин ). А это существенно отличается от того, что под электролизом понимает физика. Если целью физики является познание законов Природы, то электрохимия решает задачу "интенсификации производства цветных, редких, благородных и рассеянных металлов" . В физике: "В цепи, в которую включен электролит, не может быть тока без электролиза, т. е. появления ионов на электродах, находящихся в соприкосновении с электролитом. Так, например, Освальд и Нернст (1889), показали, что при прохождении разряда лейденской банки, содержавшей всего 5*10 -6 кулонов, через раствор серной кислоты, получился на катоде пузырек водорода, размеры которого оказались вполне согласными с первым законом электролиза" . И далее, там же - "Решающее значение здесь имели опыты А. П. Соколова , которому удалось доказать существование поляризации при ЭДС, равных 0.001 вольта. Нет причин предполагать, что этим достигнут предел, ниже которого поляризация прекращается". А явление поляризации электродов, которое будет еще обсуждаться, возникает как следствие электролиза. Таким образом, в физике электролиз возникает при сколь угодно малом напряжении на электродах. Это и понятно - составляющая скорости хаотического движения ионов в электролите под действием электрического поля, после подачи напряжения на электроды, не квантуется. Она может измениться на бесконечно малую величину. Заметим, что в противоположность этому, энергия, необходимая, например, для диссоциации одной молекулы воды на кислород и водород (около 1.228 еВ), квантуется. Ее нельзя сообщить молекуле по частям, в одном, а потом в другом столкновении. Это надо сделать сразу, в одном неупругом взаимодействии.

А в электрохимии, где важен практический результат, например, под напряжением разложения при электролизе воды, понимают то напряжение, при котором на нейтральных электродах на катоде появляются пузырьки водорода. Это понятие, конечно, важно в практике, но оно сегодня "...не имеет определенного физического смысла" . Так как этот вопрос важен в практическом отношении при получении водорода при электролизе, то рассмотрим его подробнее.

3. Перенапряжение выделения водорода

Процессы, происходящие при прохождении тока через электролит, и в самом электролите, и на обоих электродах, очень сложны и многообразны. По этой причине результаты электролиза часто практически не воспроизводимы. Как только электролиз начался, и уже идет некоторое время, вернуться к первоначальному состоянию после его прекращения уже невозможно. И в электролите, и на электродах произойдут изменения, которые не восстановятся и после сколь угодно долгого ожидания. Да и начало электролиза не воспроизводимо - этот процесс зависит от материала и состояния поверхности электрода, наличия в нем незначительных примесей и т. д. Почти то же самое относится и к химическому составу электролита. Поэтому, даже, несмотря на то, что в связи с широким промышленным использованием электрохимических процессов исследования явления электролиза как его понимает электрохимия, велись, и ведутся многими специальными институтами, полной ясности понимания того, что же происходит при электролизе до сих пор нет. Все многочисленные детали электролиза находятся вне рамок фундаментальной науки. Частностями она не занимается.

Да что говорить об электролизе, когда и о воде мы не знаем всего. Так, "Существует точка зрения, согласно которой вода представляет собой смесь разного рода ассоциированных молекул, например, 8(Н 2 О), 4(Н 2 О)... и "простых" молекул Н 2 О." . Этим пытаются объяснить некоторые аномальные свойства воды. В этом свете наивны рассуждения о механизме движения ионов Н + или Н 3 О + в электролизе, о процессах в двойном слое между электродом и электролитом. Ясно, что он существует даже между газом и твердым телом, а между жидкостью и твердым телом тем более. Конечно, роль его в процессе электролиза велика. Но точное количественное описание этой роли вряд ли возможно, а может быть и не нужно. "Никчемно" с точки зрения фундаментальной науки, как сказал по другому поводу наш выдающийся теоретик Я. И. Френкель.

Конечно, есть скачок потенциала между электродом и электролитом и без всякого извне приложенного напряжения. А когда оно есть, и появляется даже слабый ток, и мы не видим выделения водорода на катоде, на электродах начинаются изменения в материале электрода, структуре его поверхности, составе электролита вблизи электрода. Все изменяется со временем, и обратно уже не возвращается. По хорошо известным законам физики, все процессы, которые начнутся в первые моменты после подачи напряжения на электроды, будут направлены против причин их вызвавших, т. е. против уже идущего процесса электролиза. Это принцип Ле Шателье. Начнутся сложные процессы поляризации электродов. Так мы описываем этот процесс противодействия процессу электролиза. Возникает ЭДС направленная против приложенного напряжения. Начавшийся процесс электролиза почти остановится. Чтобы он шел стационарно и с нужной нам скоростью, надо повысить внешнее напряжения. А это и есть "перенапряжение". Но его величина не связана с "потенциалом разложения" или "напряжением разложения" воды равном 1.228 вольт. Оно зависит от силы тока, от природы электродов, состояния их поверхности и т. д. Так, для вольфрама, при плотности тока 5 мA на кв. см. это 0.33 вольта .

Найти величину энергии, требуемую для разложения молекулы воды на водород и кислород, зная, сколько энергии выделяется при сгорании одного грамм-моля водорода не трудно. Но никакой доказательной силы того, что эта энергия тратится именно током, это не имеет. Если электролиз идет при напряжении на электродах больше чем 1.228 вольт, то это еще не означает, что именно ток расходует энергию 1.228 еВ на разрушение молекул воды. Да нигде, кроме как в неявном виде в , это и не утверждается. Но это ведь не научная, а "...производственно- техническая..." монография, как сказано в ее аннотации. Рассмотрим более детально, как же внутренняя энергия электролита расходуется им на разложение молекул воды на кислород и водород в процессе электролиза. Каков механизм этого явления.

4. Механизм диссоциации воды при электролизе

Вопрос о том, как же конкретно "ток разлагает воду", в каком элементарном акте это происходит, в электрохимии не рассматривается. А. И. Левин в , например, пишет: "Можно полагать, что на аноде будет протекать один из следующих процессов...", и далее приводятся три процесса, в которых нейтральная молекула воды отдает аноду 4, или 2 своих электрона, превращаясь в ион Н + и ОН - . Замечательно это "можно полагать". Но как нейтральная молекула, вдруг, отдает свои электроны. Ей ведь нужна за это "плата" - 1.228, 1.776 или 2.42 еВ в каждом из трех приведенных процессов. Причем сразу, а не по частям. Кто этой энергией вблизи анода располагает и может ее потратить на разрушение молекулы воды.

Далее А. И. Левин пишет: " ...наблюдаемая при электролизе... убыль воды в анолите указывает на протекание ее разложения. Это может происходить, по-видимому, по реакции
2Н 2 О - 4 е - = О 2 + 2Н + ." (1)

"По-видимому" - но как? Электрохимия на эти вопросы не отвечает. Да, собственно, она и не настаивает на том, что это в действительности именно так и происходит. А вот в физике все это имеется. У О. Д. Хвольсона читаем: "На аноде происходит реакция
SO 4 + H 2 O = H 2 SO 4 + O..." (2)

А нейтральный остаток серной кислоты получается из отрицательного иона, который нейтрализуется на аноде. Образовавшаяся молекула серной кислоты тут же распадается на ионы, восполняя их убыль на аноде и на катоде. По этому сценарию в "анолите" действительно концентрация молекул воды уменьшается. Вода разлагается. Но по другой реакции. Разряд отрицательных ионов SO 4 2- на аноде представляется вполне естественным. Правда, О. Д. Хвольсон перечисляет целый букет химических реакций, которые идут в электролите. Но нам то важна генеральная линия, а не детали.

А откуда же теперь берется эта минимальная энергия 1.228 еВ, которую все равно надо затратить в одном акте? Физика знает ответ и на этот вопрос. При нормальном давлении, и температуре 2000 градусов, без всякого электролиза, 0.081% всех молекул воды диссоциировано. При 5000 градусах распадается уже 95.4% всех молекул воды . Это происходит в актах неупругого взаимодействия двух нейтральных молекул воды. Такие процессы нам хорошо известны в физике частиц.

Вероятность реакции равна произведению этого фазового объема на матричный элемент. При отсутствии резонансов частиц в этой системе он обычно полагается единице. При возрастании энергии над порогом вероятность реакции резко возрастает - импульсная часть фазового объема растет как куб импульса в СЦИ системе. В нашем случае, чем больше энергия двух молекул воды в их СЦИ, т. е. чем больше относительные и абсолютные скорости сталкивающихся молекул, тем больше будет вероятность одной из них распасться на водород и кислород в акте неупругого столкновения двух частиц. Это и наблюдается при повышении температуры. Распределение скоростей молекул описывается распределением Максвелла. В нем всегда имеется "хвост" высокоэнергичных молекул. Именно они то и будут выбывать при "самораспаде" воды при любой температуре. Это же происходит и при электролизе в реакции (2). Выбывание из распределения по скоростям молекул с большими скоростями ведет к уменьшению средней скорости всех молекул. Средняя же скорость пропорциональна температуре. И при "самораспаде" молекул воды, и при электролизе воды, энергия на диссоциацию молекул воды получается за счет уменьшения внутренней энергии жидкости, т. е. за счет ее охлаждения в этих процессах.

Конечно, работа тока в электролите, как и во всяком проводнике, расходуется и на его нагревание. Ионы, приходя в ускоренное движение в направлении электрического поля, упруго взаимодействуют с нейтральными молекулами воды, и передают им часть своей энергии, нагревают электролит. Если это изменение внутренней энергии электролита за счет нагревания его током будет равно, или больше уменьшения внутренней энергии электролита израсходованной им на разложение молекул воды, то температура его будет постоянной, или он будет нагреваться. Это и происходит в промышленных электролизерах. Создается иллюзия "ток разлагает воду". Если на самом деле это не так, не "ток разлагает волу", и не величина "напряжения разложения" препятствует процессу электролиза при низком напряжении, когда электролит должен будет охлаждаться, то как это можно осуществить? Какие причины этому препятствуют на самом деле?

5. Тепловой насос

Самым интересным и результативным из всех, до сих пор попыток осуществления низковольтного электролиза, можно считать электоро-водородный генератор (ЭВГ) В. В. Студенникова .Его предложение основано на работе Р. Колли (1873) , который открыл новый источник ЭДС. Было показано, что если электроды в электролизере расположить не вертикально, на одной и той же высоте, когда ионы движутся горизонтально, а разнести их по высоте, то за счет разности масс положительного и отрицательного иона, движущихся теперь вверх и вниз в гравитационном поле Земли, возникнет ЭДС. Искусственное гравитационное поле, возникающее при вращении, дает эффект Толмена-Стьюарта . Ссылка на работу Р. Колли у них имеется. В патентах этот эффект используется в конструкции электролизеров с вращением электролита. Он запатентован в США в 1929 и 1964 годах. Количественное исследование эффекта снижения анодной и катодной разностей потенциалов, получаемое при вращении электролизера, опубликовано в .

Как утверждал В. В. Студенников, ему удалось получить "...интенсивное самоохлаждение раствора, обеспечивая условия для поглощения тепла из окружающей среды... т. е. работу в режиме... теплового насоса." К сожалению, это утверждение содержалось в сообщении, помещенном в интернете самим В. В. Студенниковым, но научная публикация его так и не появилась. Однако факт указания на возможность использования водорода как рабочего тела теплового насоса принадлежит В. В. Студенникову. Возможность получения более дешевого способа получения водорода как топлива выглядит в сравнении с этим довольно бледно. Конечно, процессы, идущие в ЭВГ может быть еще более сложны, чем в классической схеме электролиза. Представляется важным два факта. Во-первых, при вращении электролит постоянно трется об электроды, "обновляя" их. Это ведет к снижению ЭДС поляризации. А во- вторых, нет внешнего источника ЭДС. Электролиз идет за счет внутреннего падения напряжения источника ЭДС. А сопротивление электролита мало. Значит мало и падение напряжения. Отсюда и самоохлаждение электролита. К фатальному недостатку ЭВГ надо отнести очень дорогой способ генерации ЭДС за счет энергии гравитационного поля. Его никак нельзя сравнить с генерацией ЭДС при движении проводника в магнитном поле. По крайней мере, данных о том, что в ЭВГ ЭДС действительно не генерируется просто при вращении электролита в магнитном поле Земли, не имеется. Ну, а утверждение, что вдобавок к водороду, получается еще и источник постоянного напряжения во внешней цепи, выглядят совсем странно. Надо определиться - или мы получаем водород за счет охлаждения среды, или мы конструируем новую машину для производства электроэнергии.

6. Перспективы

Исследования в области водородной энергетики только в России ведут 20 институтов РАН. Некоторые из них занимаются этим уже 20 лет. Созданы топливные элементы, использующиеся в космических исследованиях. Но до широкого их производства и внедрения в наш быт, скорее всего дело не дойдет еще долго. Научная ценность вклада институтов РАН в этой области, мягко говоря, не велика. Основная проблема водородной энергетики, о которой говорилось во введении, ими не решается, и решена не будет. Нет заказчика. Усовершенствование промышленных электролизеров, использующих традиционный электролиз, также бесперспективно.

Остаются только нетрадиционные способы ее решения, которые являются уделом изобретателей одиночек. Но среди них есть не мало сомнительных, а часто и просто безграмотных, предложений и утверждений. Примером этого может служить "Вечная энергия Казакова" из Алма-Аты . Так пишет об этой работе корреспондент, который возможно, просто плохо понял работу Казакова. Казаков использует инфразвук, и утверждает, что при этом с огромной скоростью идет "самоэлектролиз воды". Это явление в физике неизвестно. За одну секунду получается 9 кубометров водорода, т. е. "самораспадается" на водород и кислород около 7 литров воды в секунду. Если это правда, то мощность установки 95 МвТ. Если в баке было около 200 литров воды, то через 2-3 секунды она должна была бы замерзнуть. Правда, автору не хватило всего то 100 тыс. долларов, чтобы выпустить промышленный образец и осчастливить человечество. Научные публикаций у такого рода умельцев по этой теме, как правило, отсутствуют. Часто они бранят консервативную "официальную науку". Проверки подобных заявителей всегда обнаруживают, что они по простоте душевной или по невежеству выдают желаемое за действительное.

Возможно, что из всего сказанного, только ЭВГ Студенникова может иметь некоторую перспективу, если он будет работать в тандеме с обычным компрессионным тепловым насосом. Тогда он будет утилизировать тепло окружающей среды обычным тепловым насосом и производить водород с общим для него, и для теплового насоса, коэффициентом преобразования даже чуть больше единицы. Но все это еще предстоит делать, и делать. Главное, что хотелось здесь показать - никаких препятствий принципиального характера, в том числе и в виде необходимости преодолевать "потенциал разложения воды" повышением приложенного к электродам напряжения, нет.

Литература

1. О. Д. Хвольсон, Курс физики, РСФСР, Госиздат, Берлин, 1923, т. 4.
2. А. И. Левин, Теоретические основы электрохимии, Гос. Научно-техн. Издат., Москва, 1963.
3. А. П. Соколов, ЖРФХО, т. 28, с. 129, 1896.
4. Физ. Энцикл. Слов., изд. "Советская Энциклопедия", Москва, 1960, т.1, с. 288.
5. Л. М. Якименко и др., Электролиз воды, изд. "химия", Москва, 1970.
6. Ячейка Стенли Мейера
7. ЭВГ Студенникова
8. Р. Колли, Журнал Русского Химического Общества и Физического Общества при Санкт- Петербургском Университете, т. 7, Часть Физическая, С-Петербург, 1873, с. 333.
9. R. C. Tolman, T. D. Stsward, Phys. Rev, 8, 97, 1916.
10. E. Thomson, U. S. Pat. 1, 701,346(1929).
11. T. B. Hoover, U. S. Pat. 3, 119, 759(1964).
12. H. Cheng at al., Jorn. Of the Electrochemical Society, 149(11), D172-D177(2002).

Электролиз широко используется в производственной сфере, например, для получения алюминия (аппараты с обожженными анодами РА-300, РА-400, РА-550 и т.д.) или хлора (промышленные установки Asahi Kasei). В быту этот электрохимический процесс применялся значительно реже, в качестве примера можно привести электролизер для бассейна Intellichlor или плазменный сварочный аппарат Star 7000. Увеличение стоимости топлива, тарифов на газ и отопление в корне поменяли ситуацию, сделав популярной идею электролиза воды в домашних условиях. Рассмотрим, что представляют собой устройства для расщепления воды (электролизеры), и какова их конструкция, а также, как сделать простой аппарат своими руками.

Что такое электролизер, его характеристики и применение

Так называют устройство для одноименного электрохимического процесса, которому требуется внешний источник питания. Конструктивно это аппарат представляет собой заполненную электролитом ванну, в которую помещены два или более электродов.

Основная характеристика подобных устройств – производительность, часто это параметр указывается в наименовании модели, например, в стационарных электролизных установках СЭУ-10, СЭУ-20, СЭУ-40, МБЭ-125 (мембранные блочные электролизеры) и т.д. В данных случаях цифры указывают на выработку водорода (м 3 /ч).

Что касается остальных характеристик, то они зависят от конкретного типа устройства и сферы применения, например, когда осуществляется электролиз воды, на КПД установки влияют следующие параметры:

Таким образом, подавая на выходы 14 вольт, мы получим 2 вольта на каждой ячейке, при этом на пластинах с каждой стороны будут разные потенциалы. Электролизеры, где используется подобная система подключения пластин, называются сухими.

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

Как уже упоминалось выше, установки данного типа могут использоваться как генератор водорода, для получения хлора, алюминия или других веществ. Они также применяются в качестве устройств, при помощи которых осуществляется очистка и обеззараживание воды (УПЭВ, VGE), а также проводится сравнительный анализ ее качества (Tesp 001).

Нас, прежде всего, интересуют устройства, производящие газ Брауна (водород с кислородом), поскольку именно эта смесь имеет все перспективы для использования в качестве альтернативного энергоносителя или добавок к топливу. Их мы рассмотрим чуть позже, а пока перейдем к конструкции и принципу работы простейшего электролизера, расщепляющего воду на водород и кислород.

Устройство и подробный принцип работы

Аппараты для производства гремучего газа, в целях безопасности, не предполагают его накопление, то есть газовая смесь сжигается сразу после получения. Это несколько упрощает конструкцию. В предыдущем разделе мы рассмотрели основные критерии, влияющие на производительность аппарата и накладывающие определенные требования к исполнению.

Принцип работы устройства демонстрирует рисунок 4, источник постоянного напряжения подключен к погруженным в раствор электролита электродам. В результате через него начинает проходить ток, напряжение которого выше точки разложения молекул воды.

Рисунок 4. Конструкция простого электролизера

В результате этого электрохимического процесса катод выделяет водород, а анод – кислород, в соотношении 2 к 1.

Виды электролизеров

Кратко ознакомимся с конструктивными особенностями основных видов устройств для расщепления воды.

Сухие

Конструкция прибора данного типа была показана на рисунке 2, ее особенность заключается в том, что манипулируя количеством ячеек, можно запитать устройство от источника с напряжением, существенно превышающим минимальный электродный потенциал.

Проточные

С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 5. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».

Рис 5. Конструкция проточного электролизера

Принцип работы устройства следующий:

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

Мембранные

Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 6.

Рис 6. Электролизер мембранного типа

Основная особенность таких устройств заключается в двойном назначении мембраны, она не только переносит протоны и ионы, а и на физическом уровне разделяет как электроды, так и продукты электрохимического процесса.

Диафрагменные

В тех случаях, когда не допустима диффузия продуктов электролиза между электродными камерами, используют пористую диафрагму (что и дало название таким приборам). Материалом для нее может служить керамика, асбест или стекло. В некоторых случаях для создания такой диафрагмы можно использовать полимерные волокна или стеклянную вату. На рисунке 7 показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.

Пояснение:

Выход для кислорода.
U-образная колба.
Выход для водорода.
Анод.
Катод.
Диафрагма.

Щелочные

Электрохимический процесс невозможен в дистиллированной воде, в качестве катализатора применяется концентрированный раствор щелочи (использование соли нежелательно, так как при этом выделяется хлор). Исходя из этого, щелочными можно назвать большую часть электрохимических устройств для расщепления воды.

На тематических форумах советуют использовать гидроксид натрия (NaOH), который, в отличие от пищевой соды (NaHCO 3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:

Можно использовать железные электроды.
Не выделяются вредные вещества.

Но, один существенный недостаток сводит на нет все преимущества пищевой соды, как катализатора. Ее концентрация в воде не более 80 грамм на литр. Это снижает морозостойкость электролита и его проводимость тока. Если с первым еще можно смириться в теплое время года, то второе требует увеличения площади пластин электродов, что в свою очередь, увеличивает размер конструкции.

Электролизер для получения водорода: чертежи, схема

Рассмотрим, как можно сделать мощную газовую горелку, работающую от смеси водорода с кислородом. Схему такого устройства можно посмотреть на рисунке 8.

Рис. 8. Устройство водородной горелки

Пояснение:

Сопло горелки.
Резиновые трубки.
Второй водяной затвор.
Первый водяной затвор.
Анод.
Катод.
Электроды.
Ванна электролизера.

На рисунке 9 представлена принципиальная схема блока питания для электролизера нашей горелки.

Рис. 9. Блок питания электролизной горелки

На мощный выпрямитель нам понадобятся следующие детали:

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

Краткая инструкция по деталям к электролизеру.

Ванну можно сделать из старого аккумулятора. Пластины следует нарезать 150х150 мм из кровельного железа (толщина листа 0,5 мм). Для работы с вышеописанным блоком питания потребуется собрать электролизер на 81 ячейку. Чертеж, по которому выполняется монтаж, приведен на рисунке 10.

Рис. 10. Чертеж электролизера для водородной горелки

Заметим, что обслуживание такого устройства и управление им не вызывает трудностей.

Электролизер для автомобиля своими руками

В интернете можно найти много схем HHO систем, которые, если верить авторам, позволяют экономить от 30% до 50% топлива. Такие заявления слишком оптимистичны и, как правило, не подтверждаются никакими доказательствами. Упрощенная схема такой системы продемонстрирована на 11 рисунке.

Упрощенная схема электролизера для автомобиля

По идее, такое устройство должно снизить расход топлива за счет его полного выгорания. Для этого в воздушный фильтр топливной системы подается смесь Брауна. Это водород с кислородом, полученные из электролизера, запитанного от внутренней сети автомобиля, что повышает расход топлива. Замкнутый круг.

Безусловно, может быть задействована схема шим регулятора силы тока, использован более эффективный импульсный блок питания или другие хитрости, позволяющие снизить расход энергии. Иногда в интернете попадаются предложения приобрести низкоамперный БП для электролизера, что вообще является нонсенсом, поскольку производительность процесса напрямую зависит от силы тока.

Это как система Кузнецова, активатор воды которой утерян, а патент отсутствует и т.д. В приведенных видео, где рассказывают о неоспоримых преимуществах таких систем, практически нет аргументированных доводов. Это не значит, что идея не имеет прав на существование, но заявленная экономия «слегка» преувеличена.

Электролизер своими руками для отопления дома

Делать самодельный электролизер для отопления дома на данный момент не имеет смысла, поскольку стоимость водорода, полученного путем электролиза значительно дороже природного газа или других теплоносителей.

Также следует учитывать, что температуру горения водорода не выдержит никакой металл. Правда имеется решение, которое запатентовал Стен Мартин, позволяющее обойти эту проблему. Необходимо обратить внимание на ключевой момент, позволяющий отличить достойную идею от очевидного бреда. Разница между ними заключается в том, что на первый выдают патент, а второй находит своих сторонников в интернете.

На этом можно было бы и закончить статью о бытовых и промышленных электролизерах, но имеет смысл сделать небольшой обзор компаний, производящих эти устройства.

Обзор производителей электролизеров

Перечислим производителей, выпускающих топливные элементы на базе электролизеров, некоторые компании также выпускают и бытовые устройства: NEL Hydrogen (Норвегия, на рынке с 1927 года), Hydrogenics (Бельгия), Teledyne Inc (США), Уралхиммаш (Россия), РусАл (Россия, существенно усовершенствовали технологию Содерберга), РутТех (Россия).

Низкоамперный электролиз воды

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, около 1,23 В.

Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра (рис. 210) генерирует небольшое количество газов, то, самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчёта выделившихся количеств водорода и кислорода.

Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16граммам. Грамм-молекула воды равне 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.

Рис. 210. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)

Один литр водорода весит 0,09гр., а один литр кислорода – 1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода.

Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и средней силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным. Его результаты – в табл. 46.

Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 56).

Прежде всего,отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.

Таблица 56. Показатели электролиза воды

Показатели	Сумма
1 – продолжительность работы электролизера, включенного в сеть, в шести циклах t, мин	6x10=60,0
2 – показания вольтметра V, Вольт	11,40
2’ – показания осциллографа V’, Вольт	0,40
3 – показания амперметра I, Ампер	0,020
3’ – показания осциллографа, I’, Ампер	0,01978
4 – реальный расход энергии (P’=V’xI’x τ/60) Втч	0,0081
5 – продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин	6x50=300,0
6 – изменение массы раствора m, грамм	0,60
7 – масса испарившейся воды m’, грамм	0,06
8 – масса воды, перешедшей в газы, m’’=m-m’, г.	0,54
9- количество выделившегося водорода ΔМ=0,54x1,23x0,09=0,06, грамм	0,06
10 – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям осциллографа E’=P’/m’’, Втч/г;	0,015
11 –существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в газы E’’, Втч/гр. воды	5,25
12 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям осциллографа K’=E’’/P’, раз;	648,15
13 - энергосодержание полученного водорода (W=0,06х142/3,6) =2,36, Втч	2,36
14 - энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wх100/P’), %;	1035,80
14’ – энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wx100/P")%	190322,6

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах. В табл. 48 представлены результаты эксперимента при периодическом питании электролизера импульсами выпрямленного напряжения и тока.

Есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр (рис. 210) обладает не только свойствами конденсатора, но и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза – стабильным.

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.

Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды (рис. 209).

Попытка увеличит производительность низкоамперного электролизёра (рис. 210) за счёт масштабирования размеров конических электродов из одного и того же материала (стали) не удалась. Производительность растёт только при увеличении количества электролизёров оптимальных размеров. Отсутствие финансирования не позволило нам проверить влияние различных материалов конусов на эффективность процесса электролиза воды (рис. 210). Если финансирование будет продолжено, то новый коммерческий образец импульсного электромотора-генератора (рис. 169 и 172) будет источником питания самого нового процесса электролиза воды, который идёт в катодно-анодной электролизной трубке, соединяющей катодную и анодную полости (рис. 211, а).

Рис. 211: a) катодно-анодная электролизная трубка; b) водородно-кислородное пламя из катодно-анодной электролизной трубки

В данной статье поговорим про электролиз обыкновенной воды.

Тот, кто не задумываясь, тешит себя роликами с Ютюба, а после этого пытается повторить преподнесённое им на блюдечке, обречён на неудачу. Интернет «кишит» роликами-обманками, и это шоу является частью жизни людей. Кто-то на этом зарабатывает деньги, а кто-то помогает ему зарабатывать деньги, просматривая это шоу. К видеороликам необходимо подходить осторожно. Я, например, знаю, что можно повысить КПД электролизной установки, но я не уверен, действительно ли Мэйер ездил на своем автомобиле на воде? Первое, я себе доказал и теоретически и практически, а второе пока нет.

Для достаточного количества газа необходимого автомобилю, площадь электродов в ячейке Мэйера слишком мала! Один из загадочных элементов в конструкции автомобиля Мэйера – красный бак, находящийся за креслом водителя. Про него ничего нигде не пишут. В бак вставлены ячейка — «Resonant Cavity», индикатор уровня воды – «water level indicator», и лазерный стимулятор. Всё кроме этого бака, так или иначе, описано, а про бак вообще ничего. Неужели это и есть топливный бак (для воды). Но на видеороликах Мэйер наливает воду непосредственно в ячейку. Это было небольшое отступление от темы статьи, а для Вас — тема для раздумий.

Мои исследования, прежде всего, направлены не на скорейшее «подключение» электролизной ячейки к автомобилю, а на максимальное повышение её производительности. Цель – уменьшить электролизный ток, или другими словами – затраты энергии, но при этом увеличить объём выхода кислородно-водородной смеси. В ходе моих экспериментальных исследований выявились определённые физические свойства воды, изучив которые и в последующем используя, удалось увеличить производительность обыкновенной электролизной установки в несколько раз. Сначала я начинал эксперименты с установки, собранной из пластин, но в ходе экспериментов пришлось от них отказаться, перейдя на трубки. Пластины, представляли собой несогласованную нагрузку на сверхвысоких частотах. Тяжело было сделать синфазный СВЧ-разветвитель без потери мощности. Самая банальная, но главная проблема – все активные элементы должны были быть равноудалены от специального СВЧ-резонатора на расстояние кратное длине волны, иначе происходило неравномерное выделение газа. Поэтому я вынужден был перейти на трубки.

Для того, чтобы было с чем сравнивать в дальнейшем, последовательность экспериментов началась с обыкновенного электролиза постоянным током. Опыты я проводил на установке изображённой ниже. Электролизную ячейку я наполнял обыкновенной, пропущенной через угольный фильтр водопроводной водой, не используя при этом кислоты и щелочи. Во время эксперимента, из электролизной ячейки, водородно-кислородная смесь поступала в «перевёрнутую» наполненную водой ёмкость 1 объёмом 100 миллилитров. В начале опыта, при включении установки запускался секундомер. Когда ёмкость наполнялась газом и появлялись выходящие из неё во внешнюю ёмкость 2 пузырьки, секундомер останавливался. Для сокращения времени на опыты, были взяты три пары трубок описанных в патентах Мейера длиной 4 дюйма. Общая площадь электролизного активного пространства (площади электродов) составила около 180 см 2 .

Указанную ёмкость я «наполнял» газом несколько раз при различных токах электролиза. Мной были выбраны токи: 0,25А; 0,5А; 1А; 1,5А; 2А.

При обыкновенном электролизе постоянным током обнаружилось, что с повышением напряжения U на пластинах электролизной установки, происходит нелинейный рост тока I. По предварительному предположению, пузырьки газа должны препятствовать прохождению тока в межэлектродном пространстве, поэтому увеличение напряжения на пластинах должно приводить к увеличению сопротивления водно-газовой смеси по параболическому закону. На самом деле происходило обратное явление.

Сопротивление R , с повышением напряжения резко падало по нелинейному графику – «гиперболе». Ожидалось, что появляющиеся на поверхности электродов пузырьки газов должны препятствовать прохождению электрического тока между электродами. Но на практике, оказалось, что при повышении тока еще на малых его значениях, происходило резкое падение сопротивления, а при токах выше 7-ми ампер, свойства проводимости воды не изменяются – выполняется Закон Ома. Описанное явление поясняется графиками.

Безусловно, при большом токе вырабатывается больше газа, ведь мы стремимся к большему количеству газа, но соотношение выхода газа к затраченной мощности резко падает, что снижает КПД установки.

Необходимо было создать такое устройство, которое бы «трясло» электролизную установку. На роль трясущего можно рассмотреть кандидатуру пенсионера — нигде не работает, сидит и трясёт, но он занимает определённый объём пространства, его надо кормить, лечить его старые косточки! Выйдет дороже! Поэтому необходимы технические средства.

На некоторых сайтах встречаются статьи о том, что трубки Мэйера имеют специальные пропилы для настройки в резонанс на звуковых частотах. Пропилы вы видите на рисунке.

Конечно, такой вариант использования звуковых колебаний возможен, но крепление трубок сделано так, что не позволяет трубкам вибрировать. Зная о том, что вода хорошо передает звуковые колебания, проще установить в ёмкости один, например – ультразвуковой резонатор и эффект достигнут. Мной использовался обыкновенный генератор прямоугольных импульсов на ТТЛ-микросхеме и ультразвуковой «пятак». Эксперимент с ультразвуковым резонатором показал незначительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности. Характеристика этого процесса показана на графике.

Здесь первый график – отношение объёма выходящего газа V, к электрической мощности P, от самой мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без ультразвукового воздействия, а второй график — с ультразвуковым воздействием. Положительный эффект имеется, но не выразительный. На малой мощности (малом токе), ультразвуковое воздействие вообще не влияет на процесс электролиза, а на большой мощности производительность установки в некоторой степени повышается. В идеале, можно предположить, чем сильнее вибрация, тем выше будет график производительности, но для удаления пузырьков газа из межэлектродного пространства всё равно необходимо время.

Один из вариантов, позволяющих удалять пузырьки газа из межэлектродного пространства – обеспечить быструю циркуляцию воды, вымывающую пузырьки кислорода и водорода. Этот способ использует в своих реакторах товарищ Канарёв. А Мэйер, помимо других способов, конструкцию трубок своей мобильной установки сделал так, чтобы обеспечить наилучшую естественную циркуляцию воды и газов.

Обратившись к патентам Мэйера, я обратил внимание на то, что в патентах он значительное место отводит лазерной стимуляции. Мерцание светодиодов происходит на частоте, приблизительно равной 30 кГц. В качестве стимуляторов, используются мощные красные светодиоды, подобные тем, которые стоят в лазерных указках. Колупать лазерные указки – не дешёвое удовольствие, поэтому я этого делать не стал. Можно конечно повозиться со сверхъяркими светодиодами, но я до этого не дошёл. Если у Вас есть желание и возможности, попробуйте.

До красного светового диапазона я не дошёл, остановившись на СВЧ-частотах. Как я писал ранее, используется резонансная частота молекул воды. Это позволяет коротким маломощным импульсом с СВЧ-заполнением «встряхнуть» практически любой объём воды. Но поскольку непрерывное колебание на сверхвысоких частотах способно только нагревать молекулы воды (подобно квазинепрерывному колебанию микроволновой СВЧ-печи), а нам этого не надо, я применил короткий импульс. Старая конструкция показала неравномерный выход газа из разных пар трубок, поэтому пришлось переделывать конструкцию ячейки с выполнением премудростей техники СВЧ. Благодаря использованию короткого сверхвысокочастотного импульса, произошло значительное увеличение количества выхода газа, при неизменной затрачиваемой мощности.

Здесь первый график – зависимость отношения объёма выходящего газа V, к мощности P, от самой электрической мощности, затрачиваемой на получение кислородно-водородной смеси без дополнительного воздействия. Второй график – с ультразвуковым воздействием, а третий — с воздействием СВЧ-импульсом. Положительный эффект от стимуляции СВЧ-импульсами выразительнее, чем стимуляция ультразвуком. В ходе экспериментов при СВЧ-стимуляции, наблюдалось незначительное падение производительности на подводимой мощности около 16-ти Ватт, а потом снова наблюдался подъём производительности. Что это за падение, объяснить пока не могу, думал – ошибка измерения, но при повторных экспериментах и проводимых с использованием других приборов «падение» повторялось. Для точности, повторные измерения проводились с шагом тока в 0,2А, в диапазоне от 0,2А, до 2,4А. На конечном участке графика происходило резкое падение производительности. Правильнее сказать – ток повышался, а количество газа не увеличивалось. Предполагаю, что на больших токах, большое количество выделяемого газа препятствовало работе установки, поэтому при более больших токах, я экспериментировать не стал, нет смысла.

Если Вы посмотрите на последний график, то сможете сделать вывод: эта экспериментальная установка с полезной площадью электродов равной 180 см 2 (три пары трубок), способна при затрате 27 Ватт электрической мощности вырабатывать около 2,2 литров кислородно-водородной смеси в час. При указанной мощности и напряжении 12 вольт, ток потребления приблизительно будет равен 2,25 ампера. Отсюда следует, что для выработки 22 литров кислородно-водородной смеси в час, требуется 270 Вт электрической энергии, что при бортовом напряжении в 12 вольт соответствует току 22,5 ампер. При этом необходимо 30 пар трубок высотой около 10 сантиметров. Как видите, ток не малый, но он вполне «вписывается» в затраты энергии штатным генератором автомобиля. Можно и по другому: на 1 киловатт затраченной электрической мощности вырабатывается 81 литр газа, или с пересчётом на метры кубические – необходимо приблизительно 12,3 киловат*час. для выработки одного кубического метра кислородно-водородной смеси.

Если сравнивать с известными электролизными установками, например ИФТИ, затрачивающими 4…5 киловат*час на кубический нормированный метр водорода, то описанная в этой статье установка проигрывает в производительности, поскольку она затрачивает на кубический нормированный метр водорода 18,5 киловат*час. Поэтому из приведённых мной цифр делайте выводы сами.

Какой объем газа необходим для работы двигателя внутреннего сгорания, я пока не разбирался. Но то, что показывают на Ютюбе, мало соответствует действительности.

Многие из нас наверняка любили эксперименты, проводимые на школьных уроках химии. Всегда интересно наблюдать, как взаимодействуют друг с другом различные вещества и что получается в итоге. А такую вещь, как электролиз воды, некоторые экспериментаторы вполне успешно повторяют дома. Как известно, данный процесс приводит к выделению кислорода и водорода. Но как именно все это происходит? Зачем вообще нужен электролиз воды и каковы его перспективы? Давайте разберемся с этим поподробнее.

Как протекает электролиз воды

Если взять обычный блок питания, подсоединить к полюсам графитовые стержни и опустить их в водопроводную воду, то через нее потечет постоянный ток, в жидкости начнут происходить различные электрохимические реакции. Их активность напрямую зависит от напряжения и наличия в воде всевозможных солей. Если рассматривать электролиз воды в домашних условиях с использованием обычной кухонной соли, то в самом упрощенном виде, то в нем можно выделить несколько самостоятельных процессов.

Электрохимический процесс

Заключается в том, что на аноде выделяется кислород - и в этом месте жидкость подкисляется, а на катоде - водород - и жидкость здесь подщелачивается. Но это еще не все. Если использовать специальные электроды, то электролиз воды позволит получить на отрицательном полюсе озон, а на положительном - перекись водорода. В составе пресной (не дистиллированной воды) всегда имеются минеральные соли - хлориды, сульфаты, карбонаты. Когда происходит электролиз воды, они также участвуют в реакциях. К примеру, когда через воду с растворенной кухонной солью начинает проходить постоянный ток, на аноде начинает образовываться хлор - и вода здесь подкисляется, а на катоде формируется гидроокись натрия - и вода подщелачивается. Такая реакция является скоротечной, и появившиеся химические элементы вновь начинают между собой взаимодействовать. В итоге вскоре начинает появляться гипохлорит натрия - 2NaOCl. Примерно то же самое происходит с хлоридами калия и кальция. Как мы видим, в результате разложения пресной воды формируется смесь сильных окислителей: озон, кислород, гипохлорит натрия и перекись водорода.

Электромагнитный процесс

Он заключается в том, что молекулы воды ориентируются параллельно движению тока так, что их водородная часть (со знаком «+») притягивается к катоду, а кислородная часть (со знаком «-») - к аноду. Сила воздействия на них настолько сильна, что приводит к ослаблению и порой к разрыву водородных связей. В результате образуется атомарный кислород, что влияет на снижение жесткости воды. Он окисляет ионы кальция до окиси (Са + + О → СаО), которая, в свою очередь, соединяется с водой и образует соответствующий гидрат: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 .

Кавитационный процесс

Схлопывание микроскопических пузырьков водорода и кислорода, которые возникают благодаря электролизу, происходит с высвобождением огромной энергии, которая разрушает молекулы воды, образующие их стенки. В результате появляются ионы и атомарные частицы кислорода и водорода, гидроксилы и прочие вещества.

Применение

Электролиз воды представляет собой огромную практическую ценность для современной промышленности. Его часто используют для очистки воды от различных примесей. Также он является простым способом получения водорода. Последний интересен как возможная альтернатива обычному топливу. В настоящее время ученые изучают плазменный электролиз воды, который гораздо эффективнее обычного. А кроме этого, существует теория, согласно которой для разложения «эликсира жизни» можно использовать особых бактерий, способных вырабатывать небольшой по силе ток. Как видим, электролиз воды вовсе не так уж прост, как кажется поначалу, и наверняка можно ожидать, что дальнейшее его изучение вполне может привести к переходу на водородное топливо.