Водородный генератор своими руками: принцип работы устройства, схемы и описание процесса сборки

Как добывают водород?

• С помощью каталитической конверсии или парового риформинга «классического» топлива – угля или газа. Из базовых продуктов выделяют легкие углеводы, которые используются в качестве сырья для производства водорода. Себестоимость килограмма конечного продукта доходит до 2,5 $, что очень неплохо. Однако для реализации такой технологии вам придется купить целый химический завод.
• С помощью термохимической обработки любой биомассы. Содержащее углеводы сырье погружают в лишенную кислорода среду и нагревают до температуры 500-800 градусов Цельсия, «вытапливая» целый ряд химических веществ – от водорода до углекислого газа. Себестоимость такого водорода доходит до 5,5 $ за килограмм, однако в бытовых условиях эта технология труднореализуема.
• С помощью биохимической обработки биомассы. Сырье нагревают до 30 градусов Цельсия и «заражают» колонией бактерий, которые «питаются» углеводами и выделяют водород. Такая технология обеспечивает себестоимость топлива на уровне 2-5 $ за килограмм, попутно избавляя домохозяйство от органического мусора. Однако на данном этапе развития технологии биоводород можно получить только в лабораторных условиях.
• С помощью классического электролиза – расщепления молекул воды электрическим током. С помощью электролиза мы можем получить водород из дистиллированной или обычной воды, затратив до 5-6 $ на производство килограмма топлива. Да, это дорого, но кустарный аппарат для производства водорода или маломощный генератор топлива промышленного типа можно построить только на основе такой технологии.

Агрегаты промышленного производства

Водород давно и эффективно используется как энергоноситель в разных сферах хозяйства. Для частных домохозяйств производятся водородные электрогенераторы, в которых выделение газа происходит в результате электролиза, а полученный горячий пар поступает в домашнюю отопительную систему.

Использование электролитических агрегатов заводского изготовления имеет следующую специфику:

• Они соответствуют мировым стандартам безопасности и экологии.
• Для приобретения и установки понадобится разрешение Ростехнадзора, а значит, необходимо подготовить пакет разрешительных документов (сертификат соответствия ГОСТР, гигиенический).
• Генератор работает в связке с котлом и трубами. В качестве катализатора процесса используют жидкий щелок. Систему заправляют не реже одного раза в год.
• Наиболее эффективная отдача демонстрируется в системах подогрева полов или плинтусов;

Средний бытовой агрегат состоит из следующих элементов:

• Электролизер. Устройство, разделяющее молекулы воды на составные части.
• Электронный блок. Включает трансформатор и выпрямитель тока.

Промышленная установка для получения водородаИсточник assets.bwbx.io

• Устройство для подготовки воды (для деминерализации).
• Панель управления с автоматическим контролем. Регулирует рабочие характеристики процесса.
• Система мониторинга. Система анализа газов настроена на поиск возможных утечек, способна предотвратить аварийную ситуацию.
• Система охлаждения конденсата.

Преимуществом устройств заводского изготовления служит их компактность, безопасность и эффективность. Для выработки одного кубометра водорода тратится 0,5 л воды и 3,5-4 кВт электроэнергии.

Меры безопасности

Электролизерные установки представляют собой устройства повышенной опасности. Поэтому в процессе их изготовления, монтажа и эксплуатации необходимо строго соблюдать как общие, так и специальные меры безопасности.

Среди специальных требований наиболее важными являются:

1. Не допускается образование взрывоопасных концентраций смеси кислорода с водородом или воздухом.
2. Не допускается работа водородных генераторов, если в его смотровом окне не виден уровень жидкости.
3. При выполнении ремонтных работ необходимо убедиться в полном отсутствии водорода в конечной точке системы.
4. Возле электролизеров не разрешается пользоваться открытым огнем, электрическими нагревательными приборами и переносными лампами напряжением более 12 В.
5. При работе с электролитом необходимо пользоваться спецодеждой, перчатками и очками.

1. Специалисты не рекомендуют самостоятельно изготавливать автомобильные водородные генераторы. Мотивируется это тем, что автомобильный электролизер представляет собой достаточно сложное и небезопасное устройство, при изготовлении которого необходимо использовать специальные материалы и реагенты.
2. При самостоятельной установке в автомобиль электролизера, изготовленного своими руками, необходимо исключить возможность попадания газа в камеру сгорания топливо-воздушной смеси при заглушенном двигателе. При выключении двигателя в обязательном порядке водородный генератор должен автоматически отключаться от сети электропитания автомобиля.
3. При самостоятельном изготовлении автомобильного электролизера не забудьте оснастить его специальным водяным клапаном – барботером. Его использование позволит значительно повысить безопасность эксплуатации автомобиля.

Еще средневековый ученый Парацельс во время одного из своих экспериментов заметил, что при контакте серной кислоты с феррумом образуются воздушные пузырьки. В действительности то был водород (но не воздух, как считал ученый) – легкий бесцветный газ, не имеющий запаха, который при определенных условиях становится взрывоопасным.

В нынешнее времяотопление водородом своими руками – вещь весьма распространенная. Действительно, водород можно получать практически в неограниченном количестве, главное, чтобы были вода и электроэнергия.

Такой способ отопления был разработан одной из итальянских компаний. Водородный котел работает, не образуя никаких вредных отходов, из-за чего считается самым экологическим и бесшумным способом обогрева дома. Инновация разработки в том, что ученым удалось добиться сжигания водорода при относительно низкой температуре (порядка 300ᵒС), а это позволило изготавливать подобные отопительные котлы из традиционных материалов.

При работе котел выделяет только безвредный пар, и единственное, что требует затрат – это электроэнергия. А если совместить такое с солнечными панелями (гелиосистемой), то эти расходы можно и вовсе свести к нулю.

Как же все происходит? Кислород вступает в реакцию с водородом и, как мы помним из уроков химии в средних классах, образует молекулы воды. Реакция провоцируется катализаторами, в результате выделяется тепловая энергия, нагревающая воду примерно до 40ᵒС – идеальной температуры для «теплого пола».

Регулировка мощности котла позволяет добиться определенного температурного показателя, необходимого для отопления помещения с той или иной площадью. Также стоит отметить, что такие котлы считаются модульными, т. к. состоят из нескольких независимых друг от друга каналов. В каждом из каналов имеется упомянутый выше катализатор, в результате в теплообменник поступает теплоноситель, уже достигший необходимого показателя в 40ᵒС.

Модель с нижним расположением контейнера

Чтобы сделать данного типа электролизер для авто своими руками, контейнер целесообразнее подбирать пластиковый. Однако на сегодняшний день можно встретить и алюминиевые модификации. Весить в данном случае устройство будет довольно много. Начинать сборку необходимо с установки основы. Для этого потребуется только один лист из нержавеющей стали. Размеры его должны соответствовать габаритам контейнера. После его установки есть возможность закрепить верхнюю плату.

По габаритам она должна соответствовать размерам нижнего листа металла. После этого устанавливается непосредственно трубка. Фильтры в данном случае использовать необязательно

Следующим шагом важно зафиксировать затвор. Крепиться он должен непосредственно к нижней плате на винтах

Подбирать их целесообразнее с маркировкой М6. На сегодняшний день найти их в магазине довольно просто. После этого фиксируется непосредственно форсунка. С этой целью многие специалисты рекомендуют устанавливать штуцеры. В свою очередь, фильтры лучше крепить при помощи пластиковых зажимов. Однако следует не забывать про использование резиновой прокладки. В противном случае изоляция устройства буде нарушена.

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

1. Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
2. Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
3. Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
4. Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
5. Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H₂O → 2H₂ + O₂ — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Технические характеристики генераторов водорода серии Н

Область применения

Сегодня электролизёр — такое же привычное устройство, как и генератор ацетилена или плазменный резак. Изначально водородные генераторы использовались сварщиками, поскольку носить за собой установку весом всего несколько килограмм было намного проще, чем перемещать огромные кислородные и ацетиленовые баллоны. При этом высокая энергоёмкость агрегатов решающего значения не имела — всё определяло удобство и практичность. В последние годы применение газа Брауна вышло за рамки привычных понятий о водороде, как топливе для газосварочных аппаратов. В перспективе возможности технологии очень широки, поскольку использование HHO имеет массу достоинств.

• Сокращение расхода горючего на автотранспорте. Существующие автомобильные генераторы водорода позволяют использовать HHO как добавку к традиционному бензину, дизелю или газу. За счёт более полного сгорания топливной смеси можно добиться 20 – 25 % снижения потребления углеводородов.
• Экономия топлива на тепловых электростанциях, использующих газ, уголь или мазут.
• Снижение токсичности и повышение эффективности старых котельных.
• Многократное снижение стоимости отопления жилых домов за счёт полной или частичной замены традиционных видов топлива газом Брауна.
• Использование портативных установок получения HHO для бытовых нужд — приготовления пищи, получения тёплой воды и т. д.
• Разработка принципиально новых, мощных и экологичных силовых установок.

Генератор водорода, построенный с использованием «Технологии водяных топливных ячеек» С. Мейера (а именно так назывался его трактат) можно купить — их изготовлением занимается множество компаний в США, Китае, Болгарии и других странах. Мы же предлагаем изготовить водородный генератор самостоятельно.

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.

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.

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

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.

Многоцелевая схема водородного генератора

Тем, у кого нет навыков к конструированию, водородный генератор для автомобиля можно приобрести у народных мастеров, поставивших на поток установку и сборку подобных систем. Сегодня существует очень много подобных предложений. Стоимость агрегата и установки составляет порядка 40 тысяч рублей.

Однако можно собрать систему такого рода и своими силами – сложного в ней нет ничего. Она состоит из нескольких обычных компонентов, соединённых в единое целое:

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

Ниже приведена схема, по которой можно не прилагая больших усилий собрать водородный генератор собственными руками. Чертежи главной установки, производящей газ Брауна, довольно просты и понятны.

Схема не представляет какой-нибудь инженерной трудности, повторить её может любой, кто умеет работать с инструментом. Для машин с инжекторной системой топливоподачи нужно еще установить контроллер, выверяющий уровень газоподачи в топливную смесь и связанный с бортовым компьютером автомобиля.

От площади электродов и их материала зависит кол-во получаемого колличества газа Брауна. Если в качестве электродов брать медные или металлические пластины, то реактор не сумеет работать долгое время из-за причины быстрого разрушения пластин.

Прекрасным смотрится использование титановых листов. Но их применение увеличивает расходы на сборку агрегата в пару раз. Хорошим является использование пластин из высоколегированной нержавейки. Металл этот доступен, его не требует большого труда приобрести. Также можно применять отработавший своё бачок от машины для стирки. Сложность будет составлять только вырезание пластин необходимого размера.

Водородный генератор

Электролизер – один из самых распространенных водородных генераторов.

Описание и принцип работы

В общем случае водородный генератор представляет собой набор металлических пластин, погруженных в дистиллированную воду. Конструкция заключена в герметичный корпус с клеммами для подключения источника электропитания и штуцером для вывода газа.

Теоретически работу водородного генератора можно представить следующим образом: между разнополярными пластинами (анод, катод), погруженными в дистиллированную воду, проходит электрический ток. При этом вода расщепляется на кислород и водород. Чем больше площадь пластин, тем больший ток проходит по воде и тем большее количество газов выделяется. Пластины подключаются поочередно (+-+- и т. д).

Область применения

В связи с тем, что сам процесс электролиза связан с использованием большого количества электроэнергии, промышленное применение электролизеров существенно ограничено. Экономически выгоднее использовать для получения водорода химические способы.

В настоящее время водородные генераторы применяют для:

• газосварки и газорезки водородом в условиях ювелирных мастерских;
• снижения токсичности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и повышения их КПД (коэффициент полезного действия);
• повышения КПД и снижению токсичности жидкотопливных котлов.

Устройство

Немногочисленные промышленные электролизеры, которые используют для получения водорода и кислорода, изготавливают в виде стационарных установок. Электроды в них включаются биполярно, причем их количество зависит от способа включения в сеть (трансформаторное или бестрансформаторное).

Конструкции малогабаритных водородных генераторов, которые выпускаются как отечественными, так и зарубежными компаниями и используются для повышения КПД ДВС и других целей, отличаются большим разнообразием. Кроме того существует огромное количество конструкций, изготовленных своими руками. В сети Интернет о них можно найти достаточно много информации.

Учитывая, что конструкция электролизера отличается простотой и его нетрудно изготовить собственноручно, рассмотрим конструкции нескольких подобных устройств:

1. Простейший электролизер.
2. Водородный генератор для автомобиля.