Электролизер своими руками — советы по изготовлению
В свое время с помощью электролиза из расплавов солей удалось впервые выделить чистые калий, натрий и многие другие металлы.
Сегодня этот процесс применяют и в быту – для «добычи» водорода из воды. Технология более чем доступна, ведь прибор для электролиза воды представляет собой всего лишь контейнер с раствором соды, в который погружены электроды.
Далее мы посмотрим, как делается электролизер для получения водорода своими руками из доступных деталей дома и какие разновидности этого прибора научились делать домашние умельцы.
Содержание
- 1 Модель с двумя фильтрами
- 2 Устройство с верхним расположением контейнера
- 3 Модель с нижним расположением контейнера
- 4 Устройство с двумя клапанами
- 5 Модели на три клапана
- 6 Устройство с оцинкованной платой
- 7 Модель с оргстеклом
- 8 Модель на электродах
- 9 Применение пластиковых прокладок
- 10 Модель на две контактные клеммы
- 11 Схематическое представление
- 12 Заключение
- 13 Видео на тему
Модель с двумя фильтрами
Электродами служат небольшие квадратные листы, вырезанные из оцинкованной стали или, лучше, из нержавейки марки 03Х16Н15М3 (AISI 316L).
Обычная сталь будет очень быстро «съедена» электрохимической коррозией.
Прорезав ножом отверстие в стенке контейнера, нужно установить на нем два фильтра грубой очистки – подойдут «грязевики» (второе название – косой фильтр) или фильтры от стиральных машин.
Далее контейнер при помощи болтов фиксируют на металлическом основании, после чего к нему присоединяют обратный клапан.
Следом устанавливаются плата толщиной 2,3 мм и барботажная трубка.
Завершается создание электролизера установкой форсунки с затвором, расположенным со стороны платы.
Устройство с верхним расположением контейнера
Электроды выполняются из нержавеющего листа размером 50х50 см, который нужно разрезать болгаркой на 16 равных квадратов. Один угол каждой пластины подрезается, а в противоположном выполняется отверстие под болт М6.
Один за другим электроды одеваются на болт, а изоляторы для них нарезаются из резиновой или силиконовой трубки. Как вариант, можно воспользоваться трубкой от водяного уровня.
Контейнер фиксируется при помощи штуцеров и только после этого устанавливаются барботажная трубка и электроды с клеммами.
Модель с нижним расположением контейнера
В этом варианте сборку прибора начинают с нержавеющего основания, размеры которого должны соответствовать размерам контейнера. Далее устанавливают плату и трубку. Монтаж фильтров в данной модификации не требуется.
Затем к нижней плате нужно прикрепить 6-миллиметровыми винтами затвор.
Установка форсунки осуществляется посредством штуцера. Если все же принято решение установить фильтры, то для их крепления следует использовать пластиковые зажимы на резиновых прокладках.
Готовое устройство
Толщина изоляторов между пластинами-электродами должна составлять 1 мм. При таком зазоре сила тока будет достаточной для качественного электролиза, в то же время пузырьки газа смогут легко оторваться от электродов.
К полюсам источника питания пластины подключаются поочередно, например, первая пластина – к «плюсу», вторая – к «минусу» и т.
д.
Устройство с двумя клапанами
Процесс изготовления 2-клапанной модели электролизера не отличается особой сложностью. Как и в предыдущем варианте, сборку следует начинать с подготовки основания. Выполняется оно из стальной листовой заготовки, которую нужно подрезать в соответствии с размерами контейнера.
К основанию прочно крепится плата (применяем винты М6), после чего можно устанавливать трубку для барботажа диаметром не менее 33 мм. Подобрав к устройству затвор, можно приступать к монтажу клапанов.
Пластиковый контейнер
Первый устанавливается на основании трубы, для чего в этом месте необходимо закрепить штуцер. Соединение уплотняется зажимным кольцом, после чего устанавливается еще одна пластина – она понадобится для фиксации затвора.
Второй клапан следует монтировать на трубе с отступом от края в 20 мм.
Модели на три клапана
Эта модификация отличается не только количеством клапанов, но также и тем, что основание для нее должно быть особенно прочным.
Применяется все та же нержавеющая сталь, но большей толщины.
Место для установки клапана №1 нужно выбирать на входной трубе (она подсоединяется прямо к контейнеру). После этого следует закрепить верхнюю пластину и вторую трубку барботажного типа. Клапан №2 устанавливают на конце этой трубки.
Штуцер при установке второго клапана нужно крепить с достаточной жесткостью. Также потребуется зажимное кольцо.
Готовый вариант водородной горелки
Следующий этап – изготовление и установка затвора, после чего к трубе прикручивают клапан №3. При помощи шпилек он должен соединяться с форсункой, при этом посредством прокладок из резины должна быть обеспечена изоляция.
Вода в чистом виде (дистиллированная) является диэлектриком и чтобы электролизер работал с достаточной производительностью, ее следует превратить в раствор.
Наилучшие показатели демонстрируют не солевые, а щелочные растворы. Для их приготовления в воду можно добавить пищевую или каустическую соду.
Также подойдут некоторые средства бытовой химии, например, «Мистер Мускул» или «Крот».
Устройство с оцинкованной платой
Очень распространенная версия электролизера, применяющаяся, главным образом, в системах отопления.
Подобрав основание и контейнер, соединяют винтами (их понадобится 4 шт.) платы. Затем сверху на приборе устанавливают изолирующую прокладку.
Стенки контейнера не должны обладать электропроводимостью, то есть быть изготовленными из металла. Если есть необходимость сделать емкость высокопрочной, нужно взять пластиковый контейнер, и поместить его в того же размера металлическую оболочку.
Остается прикрутить контейнер шпильками к основанию, и установить затвор с клеммами.
Модель с оргстеклом
Сборку электролизера с применением заготовок из органического стекла назвать простой задачей нельзя – данный материал достаточно сложен в обработке.
Трудности могут подстерегать и на этапе поиска контейнера подходящего размера.
В углах платы высверливают по одному отверстию, после чего приступают к монтажу пластин. Шаг между ними должен составлять 15 мм.
На следующем этапе переходят к установке затвора. Как и в других модификациях, следует применять прокладки из резины. Только нужно учесть, что в данной конструкции их толщина должна составлять не более 2-х мм.
Модель на электродах
Несмотря на слегка настораживающее название, эта модификация электролизера также вполне доступна для самостоятельного изготовления. В этот раз сборку прибора начинают снизу, укрепляя на прочном стальном основании затвор. Контейнер с электролитом, как и в одном из вышеописанных вариантов, расположим сверху.
После затвора приступают к монтажу трубки. Если размеры контейнера позволяют, ее можно оснастить двумя фильтрами.
Далее прикручивают форсунку и принимаются за установку верхнего стального листа. При этом должны соблюдаться два условия:
- лист не касается контейнера;
- расстояние между ним (листом) и зажимными винтами должно составлять 20 мм.
При таком исполнении генератора водорода электроды следует крепить к затвору, размещая по другую сторону от него клеммы.
Применение пластиковых прокладок
Вариант изготовления электролизера с прокладками из полимеров позволяет применить алюминиевый контейнер вместо пластикового. Благодаря прокладкам, он будет надежно изолирован.
Вырезая прокладки из пластика (понадобится 4 шт.), необходимо придать им форму прямоугольников. Они укладываются по углам основания, обеспечивая зазор в 2 мм.
Теперь можно приступать к установке контейнера. Для этого понадобится еще один лист, в котором просверливают 4 отверстия. Их диаметр должен соответствовать наружному диаметру резьбы М6 – именно такими винтами будет прикручиваться контейнер.
Стенки у алюминиевого контейнера жестче, чем у пластикового, поэтому для более надежного крепления под головки винтов следует подложить шайбы из резины.
Остается заключительный этап – установка затвора и клемм.
Модель на две контактные клеммы
К основанию, выполненному из стального или алюминиевого листа, прикрепите при помощи цилиндров или винтов пластиковый контейнер. После этого нужно установить затвор.
В этой модификации применяется игольчатая форсунка диаметром в 3 мм или чуть больше. Ее нужно установить на свое место, подсоединив к контейнеру.
Теперь при помощи проводников нужно присоединить клеммы прямо к нижней плате.
Последним элементом монтируется трубка, причем место, в котором она присоединяется к контейнеру, должно быть уплотнено зажимным кольцом.
Фильтры можно позаимствовать в поломанных стиральных машинах либо установить обычные «грязевики».
Еще на шпинделе нужно будет закрепить два клапана.
Схематическое представление
Схематичное описание реакции электролиза займет не более двух строк: положительно заряженные ионы водорода устремляются к отрицательно заряженному электроду, а отрицательно заряженные ионы кислорода – к положительному.
Для чего вместо чистой воды приходится применять электролитический раствор? Дело в том, что для разрыва молекулы воды требуется достаточно мощное электрическое поле.
Соль или щелочь выполняет значительную часть этой работы химическим путем: атом металла, имеющий положительный заряд, притягивает к себе отрицательно заряженные гидроксогруппы ОН, а щелочной или кислотный остаток, имеющий отрицательный заряд – положительные ионы водорода Н. Таким образом, электрическому полю остается только растащить ионы к электродам.
Схема электролизера
Наилучшим образом электролиз проходит в растворе соды, одна часть которой разбавляется в сорока частях воды.
Наилучшим материалом для электродов, как уже говорилось, является нержавеющая сталь, а вот для изготовления пластин лучше всего подходит золото. Чем большей будет их площадь и чем выше сила тока – тем в большем объеме будет выделяться газ.
Прокладки можно делать из различных токонепроводящих материалов, но лучше всего для этой роли подходит поливинилхлорид (ПВХ).
Заключение
Электролизер может эффективно применяться не только в промышленности, но и в обиходе.
Вырабатываемый им водород можно превратить в топливо для приготовления пищи, или обогащать им бензо-воздушную смесь, повышая мощность автомобильных двигателей.
Несмотря на простоту принципиального устройства прибора, умельцы научились изготавливать целый ряд его разновидностей: любую из них читатель сможет изготовить собственноручно.
Видео на тему
- Предыдущая записьВоздушный клапан для отопления: назначение, принцип действия и конструктивные особенности
- Следующая записьНасколько необходим ИБП для циркуляционного насоса отопления? Выбор бесперебойника, примерные цены на приборы
Adblock
detector
Электролиз воды в домашних условиях
Электролиз воды в домашних условиях
Электролизом называют процесс выделения на электродах составных частей растворенных веществ.
Ионы водорода и их польза
В электрическом поле, образующемся вокруг электродов, происходит ионизация — движение ионов веществ, из которых состоит жидкость. При этом один электрод подключен к плюсу, а другой к минусу источника электроэнергии. Минусовой называется катодом, плюсовой — анодом. Во время ионизации ионы вещества притягиваются к противоположно заряженным электродам: положительно заряженные — к катоду, отрицательно заряженные — к аноду.
Если говорить об электролизе воды, то образуются положительные ионы водорода (+Н) и отрицательные ионы (гидроксилы -ОН). В обычных условиях в воде присутствует небольшое количество ионов водорода, но в результате электролиза можно добиться высокой степени ионизации.
Полученные таким образом ионы влияют на свойства воды как жидкости. В зависимости от их заряда вода может быть полезной или вредной для человеческого организма. Если в воде находятся ионы с положительным зарядом, она становится более кислой, а если в ней в основном гидроксилы (отрицательно заряженные ионы) — щелочной.
Почему так важен электролиз воды в домашних условиях?
Электролиз воды, изменяя уровень ее кислотности и насыщая ионами водорода, полезен с точки зрения возможности получать правильную воду в нужном объеме.
Щелочная вода, получаемая в процессе электролиза воды, имеет ряд положительных свойств, ради которых ее и используют в таких развитых странах как, например, США, Япония, Ю. Корея. Щелочная вода:
- улучшает пищеварение;
- активизирует обмен веществ в организме;
- укрепляет иммунитет;
- помогает справиться с активным кислородом в крови;
- является хорошим профилактическим средством от болезней сердечно-сосудистой системы, почек, печени
Дело в том, что щелочная вода не требует от организма усилий по ее адаптации, поскольку имеет благоприятный ОВП (окислительно-восстановительный потенциал).
Она способствует процессам регенерации тканей и синтезу белков, повышает проницаемость межклеточных мембран в ходе обмена веществ. В результате человек, который пьет регулярно щелочную воду, реже болеет, меньше устает и соответственно живет дольше.
А что же кислая вода, в которой больше положительно заряженных ионов водорода (+Н)? Она тоже полезна. Например, как бактерицидное, антисептическое средство.
Все ткани человека кроме кожи являются слабощелочной средой. Более кислый потенциал помогает коже справляться с агрессивной внешней средой и бактериями. Поэтому именно кислая вода, насыщенная положительно заряженными ионами водорода, и подходит для обработки царапин, небольших ран, акне, очагов грибкового заболевания.
Можно ли просто купить полезную воду?
К сожалению, срок жизни ионов в воде небольшой. Поэтому запасти ее впрок не получится. Чтобы иметь всегда щелочную и кислую воду под рукой, проще лучше получать ее дома методом электролиза воды с помощью специальных устройств.
Они более производительные, надежные и безопасные, чем те установки, которыми пользовались в 90-х годах прошлого века. Все эти стаканы для живой и мертвой воды (одна в одну емкость течет, другая в другую), дешевый хрупкий пластик, медные или латунные электроды – уже давно ушли в прошлое.
Сегодня ионизаторы воды, так называются устройства для получения жидкости насыщенной разнозаряженными ионами — это современные высокотехнологичные установки, оснащенные несколькими титано-платиновыми электродами для обеспечения высокой эффективности процесса. У них есть сенсорные экраны, системы самоочистки, водоподготовки (удаление фильтрами механических примесей и обеззараживание) как, например, у ионизатора воды Prime Water 1301 серия R.
Существуют прямоточные устройства, подключаемые непосредственно к водопроводной системе квартиры или дома. Есть те, что имеют бак-накопитель, есть компактные носимые и даже карманные. Все эти ионизаторы есть в нашем интернет-магазине.
Не нужно пытаться проводить электролиз воды при помощи доморощенных средств, поскольку ни к чему хорошему это не приведет.
Лучше приобрести современный ионизатор для получения полезной воды.
Как построить генератор водорода PEM
Генератор водорода PEM | Водородный электролизер
Команда SENZA
В этой статье вы подробно узнаете, как построить генератор водорода PEM. Узнайте, как создать свой собственный электролизер PEM в домашних условиях с помощью этого подробного руководства. Следуйте этим пошаговым инструкциям, чтобы построить эффективный и экологически чистый генератор водорода.
Вот видео и текст изготовления электролизера PEM. Конечно, есть более простой способ получить генератор водорода PEM.
Вы хотите знать разницу между генератором водорода pem и генератором щелочного водорода?
Подготовка необходимых деталей
- 1. Пластина из алюминиевого сплава
- 2. Изолирующая прокладка
- 3. Положительная и отрицательная пластины из титанового сплава
- 4. Титановая сетка
- 5. Силиконовая прокладка
- 6. Микропланшет
- 7. Импортный DuPont N117 PEM
- 8. Винт
- 9. Прокладка
- 10. Гайка
- 11. Соединитель газовой трубы
Как построить генератор водорода PEM
Подготовьте необходимые детали.
Выберите пластину из алюминиевого сплава в качестве прижимной доски.
Вставьте подготовленные винты.
Установите изоляционную прокладку.
Обратите внимание на положение входа воды и выхода воздуха.
Установите положительные и отрицательные электродные пластины из титанового сплава.
Установите уплотнительную силиконовую прокладку.
Установить титановую сетку.
1. Титановая сетка должна располагаться в порядке высокой, средней, малой плотности.
2. Аккуратно разложите их.Установите микропланшет.
Выровняйте титановую сетку при размещении.
Установите DuPont N117 PEM.
Во избежание повреждений модуль PEM следует устанавливать осторожно.
Установите микропланшет.
Установите силиконовую прокладку студийного уплотнения.
Установить титановую сетку.
1. Титановая сетка должна располагаться в порядке высокой, средней, малой плотности.
Установите положительные и отрицательные электродные пластины из титанового сплава.
Установите уплотнительную силиконовую прокладку.
Установите вторую титановую сетку.
Титановая сетка должна располагаться в порядке высокой, средней, малой плотности.
Установите микропланшет.
Установите DuPont N117 PEM.
Установите микропланшет.
Установите уплотнительную силиконовую прокладку.
Установить титановую сетку.
Установите положительные и отрицательные электродные пластины из титанового сплава.
Установите изоляционную прокладку.
Установите пластину из алюминиевого сплава.
Установите прокладку и гайку.
Затяните винты.
База стандартной компактности и кручения.
Установите соединитель воздушной трубы и затяните.
следует различать вход воды, выход водорода и выход кислорода.
Установка завершена.
Проверка после сборки.
Проверьте наличие сопротивления и короткого замыкания между электродом и прижимной пластиной.
Тест нормальный
Включите питание для проверки
Подключение к водяному насосу
Подсоедините воздуховод
Подключение к выходной шине
Штекер выходной шины подключен к трансформатору.
Разъем линии передачи управления подключен к трансформатору.
Разъем сигнальной линии подключен к трансформатору.
Штекер входной шины подключен к трансформатору.
Подсоедините линию датчика уровня воды линии передачи управления к баку.
Подсоедините линию водяного насоса, управляющую линией передачи, к водяному насосу.
Отвинтить верхнюю крышку сепаратора водяного газа.
Залить очищенной водой.
Включите переключатель.
Во время проверки.
1. Нормальны ли водород и кислород (выход водорода) (выход кислорода).
2. Проверьте, в норме ли напряжение и ток.
3. Проверьте, нет ли утечек воды.Если в тесте нет проблем, установка завершена.
Общие сведения о генераторах водорода PEM
Введение в генераторы водорода PEM (полимерная электролитная мембрана) Генераторы водорода PEM, также известные как электролизеры PEM, используют твердый полимерный электролит (PEM) для производства водорода в процессе электролиза воды. Под действием электрического тока молекулы воды расщепляются на водород и кислород, которые затем можно собирать и использовать в качестве топлива или для других целей. Электролизеры PEM завоевали популярность благодаря высокой эффективности, безопасности и способности производить чистый водород.
Роль электролизеров PEM в производстве водорода Электролизеры PEM играют решающую роль в производстве водорода, особенно в контексте систем возобновляемой энергии. Они предлагают устойчивый способ производства водорода с использованием электроэнергии от солнечных батарей, ветряных турбин или других возобновляемых источников, которую затем можно хранить и использовать по мере необходимости.
Это помогает решить проблему перебоев в подаче возобновляемой энергии и позволяет производить водород с низким углеродным следом.
Преимущества использования технологии PEM по сравнению с традиционными методами Технология PEM предлагает несколько преимуществ по сравнению с традиционными методами электролиза, такими как щелочные электролизеры, в том числе:
- Более высокая эффективность: Электролизеры PEM могут достигать более высокой эффективности преобразования энергии по сравнению со щелочными электролизерами.
- Более быстрое время отклика: электролизеры PEM могут быстро увеличивать и уменьшать мощность, что делает их хорошо подходящими для использования с прерывистыми возобновляемыми источниками энергии.
- Повышенная чистота: электролизеры PEM производят водород с более высоким уровнем чистоты, что имеет решающее значение для некоторых приложений, таких как топливные элементы.
- Компактная конструкция. Благодаря твердому полимерному электролиту электролизеры PEM могут быть более компактными и легкими по сравнению со своими щелочными аналогами.
Выбор подходящей мембраны PEM, такой как мембрана DuPont N117 Выбор подходящей мембраны PEM имеет важное значение для достижения оптимальной производительности и долговечности вашего генератора водорода. Одним из популярных вариантов является мембрана DuPont N117, которая обеспечивает баланс прочности, протонной проводимости и газонепроницаемости. Другие факторы, которые следует учитывать при выборе мембраны PEM, включают стоимость, доступность и совместимость с другими компонентами вашей системы электролизера.
Устранение неполадок и оптимизация вашего электролизера PEM
Выявление распространенных проблем Некоторые распространенные проблемы электролизеров PEM могут включать разрушение мембраны, коррозию электродов, утечки газа и недостаточное производство водорода. Регулярно проверяйте компоненты электролизера на наличие признаков износа или повреждений и оперативно устраняйте любые проблемы для поддержания оптимальной производительности.
Оптимизация эффективности Чтобы оптимизировать эффективность электролизера PEM, убедитесь, что мембрана, электроды и биполярные пластины чистые и не содержат загрязнений. Регулярно проверяйте системы электропитания и управления, чтобы убедиться, что они работают правильно и обеспечивают соответствующий ток и напряжение для ячейки электролизера.
Соблюдение техники безопасности Убедитесь, что ваш электролизер PEM правильно вентилируется, чтобы предотвратить накопление газообразных водорода и кислорода, которые могут представлять опасность взрыва. Регулярно проверяйте все соединения на наличие утечек и немедленно устраняйте любые проблемы. Соблюдайте все правила техники безопасности и рекомендации, предоставленные производителем или другими экспертами в данной области.
Практическое применение генераторов водорода
Использование генераторов водорода в автомобилях и домах Генераторы водорода можно использовать в автомобилях и домах, чтобы обеспечить чистый, устойчивый источник энергии.
В транспортных средствах водород можно использовать для питания топливных элементов, которые вырабатывают электроэнергию для привода электродвигателей. В домах водород можно использовать для отопления, приготовления пищи или даже для выработки электроэнергии с помощью системы топливных элементов.
Потенциал водорода как альтернативного источника топлива Водород имеет значительный потенциал как альтернативный источник топлива из-за его изобилия, высокого содержания энергии и того факта, что при сжигании или использовании в топливном элементе в качестве побочного продукта образуется только вода. Это делает водород привлекательным вариантом для сокращения выбросов парниковых газов и борьбы с изменением климата.
Будущие разработки и инновации в водородной технологии Достижения в водородной технологии, такие как повышение эффективности электролизера, более дешевые методы производства и лучшие решения для хранения, будут и впредь делать водород более жизнеспособным альтернативным источником топлива.
Ожидается, что по мере перехода мира к более чистым и устойчивым источникам энергии водород будет играть все более важную роль.
Как работает водородный генератор PEM
Команда SENZA
Команда SENZA R&D состоит из старших автомобильных инженеров, экспертов по технологиям водородной энергетики и инженеров по установке технологий. Он имеет 8-летний опыт исследований, разработок и применения водородной энергетики.
Майкл Ву, главный технический инженер, окончил Университет Сунь Ятсена по специальности транспортная инженерия. Он участвовал в исследованиях и разработках двигателей в Технологическом центре легковых автомобилей Dongfeng Nissan и Научно-исследовательском институте GAC, а также отвечал за проект исследований и разработок двигателей всей серии автомобилей.
Почтовые теги: #Как собрать генератор водорода PEM#Генератор водорода PEM
Похожие сообщения
Как сделать электролизеры дешевыми
Как сделать электролизеры дешевыми – Хулио К. Гарсия-Наварро.
Через 2 недели будет проведена Ежегодная проверка качества (AMR) Министерства энергетики США. Во время AMR все стороны, получившие финансирование на исследовательскую деятельность в области водорода, собираются, чтобы представить обновления проекта и получить оценку своих коллег. Я никогда лично не посещал ни одну AMR, но мне всегда было интересно следить за прогрессом, который они демонстрируют, потому что это самая крупная (насколько мне известно) и наиболее актуальная (на мой взгляд) англоязычная конференция по исследованию водорода в мире.
В AMR вы можете найти результаты по таким темам, как, какой компонент в водородной заправочной станции (HRS) чаще всего выходит из строя (это не компрессор, как утверждают некоторые компании) (ссылка здесь) и о сравнении стоимость транспортных средств большой грузоподъемности, работающих на различных источниках энергии, и это лишь несколько примеров.
AMR — настоящий маяк знаний в мире водорода.
Я хотел бы обсудить конкретную презентацию прошлогоднего AMR, а именно, о расширении производства электролизеров PEM.
В этом исследовании 3M , Giner Inc. (в настоящее время принадлежит Plug Power ) и NREL (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии) разрабатывают производственный процесс рулонного производства, который позволит им увеличить производительность электролизеров с ПОМ за счет увеличения скорости печати катализатора на протонпроводящих мембранах (ПОМ) до 5,3 м2 за 10 минут на одной машине.
Чтобы дать этому числу немного контекста, каждый м2 электролизера PEM эквивалентен 40 кВт установленной мощности , а это означает, что консорциум может предложить процесс, который производит электролизер мощностью 21 кВт каждую минуту, или, выражаясь по-другому, он может производить электролизер мощностью 1 ГВт за один месяц.
Звучит долго, но уже становится разумнее, если вспомнить, что весь ЕС хочет иметь 40 ГВт к 2030 году. Giner, NREL и 3M могли бы производить все необходимые ЕС электролизеры с одной рулонной машиной менее чем за 4 года. Впечатляющий.
Рис. 1. (Слева) рулон катализатора с покрытием процесса 3M/Giner. (Справа) Протонообменная мембрана, используемая в электролизерах PEM. Чтобы произвести один MEA (мембранно-электродный узел), им просто нужно прижать катализатор к мембране, что очень похоже на другие процессы рулонного производства, включая газетную печать. Изображения взяты из «Недорогих высокоэффективных мембран с каталитическим покрытием для электролизеров воды PEM», Ежегодного обзора заслуг Министерства энергетики США за 2020 год.Целью этого проекта компаний 3M, Giner и NREL является не только увеличение производственной мощности электролизеров PEM, но и повышение их эффективности. В приведенной ниже таблице показана выдержка из их прогресса с учетом трех различных стратегий проектирования электролизера PEM:
| Design strategy | Energy consumption [kWh/kg] | Efficiency [%] | OPEX @ 0. 03 EUR/kWh [EUR/kg-h3] | CAPEX [EUR/metric tonne/year] |
| Minimizing OPEX | 40,2 | 82% | 1,21 | 9.869,42 |
| Balanced | 46,9 | 70% | 1,41 | 5.099,20 |
| Minimizing CAPEX | 52,3 | 63% | 1,57 | 2.549,60 |
При проектировании электролизера с ПОМ всегда существует компромисс между эксплуатационными и капитальными затратами.
Производитель может минимизировать энергопотребление своего электролизера, но это будет означать, что производительность будет низкой, что приведет к высоким капитальным затратам.
Верно и обратное: максимизация количества водорода, производимого электролизером, как следствие, увеличивает потребление энергии. По сути, это то же самое явление, которое ограничивает срок службы батарей при их зарядке большими токами; оба являются электрохимическими устройствами, и это одно из ограничений электрохимических технологий.
Вопрос, который я задал себе: что лучше, чтобы минимизировать OPEX или CAPEX?
Большинство людей (включая экспертов) считают, что мы должны стремиться к минимизации эксплуатационных расходов, поскольку для производства водорода требуется такое огромное количество энергии (около 50 кВтч/кг), что любое сокращение было бы чрезвычайно полезным.
Таким образом, многие производители электролизеров ориентируются на сторонников сокращения эксплуатационных расходов, опираясь на мнение, что следующее поколение электролизеров будет иметь низкое энергопотребление.
Я думаю, что у экспертов все наоборот, и что мы должны уделять больше внимания минимизации CAPEX, чем OPEX, в основном по двум причинам:
- Производители электролизеров никогда не снизят потребление энергии ниже 38 кВтч/кг . Это термодинамический предел электролизера, работающего со 100% эффективностью из-за так называемого термонейтрального напряжения процесса расщепления воды.
- Прибыль по капитальным затратам значительно превышает соответствующий убыток по операционным затратам . Из приведенной выше таблицы повышение эффективности с 70 до 63% (что соответствует увеличению энергопотребления при производстве водорода с 47 до 52 кВтч/кг) удваивает производственную мощность того же электролизера, что фактически вдвое снижает капитальные затраты.
Несмотря на то, что говорят эксперты, лучше сосредоточиться на снижении капитальных затрат электролизера, чем на снижении его операционных затрат.
Julio C. Garcia-Navarro
В качестве простого упражнения я сделал простой расчет LCOH (приведенная стоимость водорода) на основе приведенной выше таблицы (исключая техническое обслуживание, налоги и другие расходы) и принимая во внимание следующие параметры:
- Стоимость электроэнергии: 0,03 евро/кВтч
- Ставка дисконтирования проекта: 5%
- Срок службы электролизера: 20 лет
- Капитальные затраты электролизера: 1 миллиард евро на ГВт
Как видно из рисунка выше, сценарий минимизации капитальных затрат (где операционные затраты составляют 1,57 евро/кг-ч3, а капитальные затраты составляют 2,550 евро/метрическую тонну/год) приводит к минимуму LCOH (1,77 евро/кг-ч3), в то время как минимизация сценария OPEX (где OPEX составляет 1,21 евро/кг-ч3, а капитальные затраты составляют 9,800 евро/метрическая тонна/год) имеет самый большой LCOH (1,99).
Также интересно отметить, что сбалансированный сценарий (где эксплуатационные расходы составляют 1,41 евро/кг-ч3, а капитальные затраты составляют 5,100 евро/метрическую тонну/год) отвечает за самое большое снижение LCOH (с 1,99 до 1,81 евро/кг-ч3), а это означает, что компромисс между капитальными и эксплуатационными затратами сильнее, когда производственные мощности не так высоки.
Когда производственная мощность является наибольшей, первоначальные капитальные затраты незначительны, и LCOH становится преобладающим над операционными затратами, но как только мы уменьшаем производственные мощности, капитальные затраты приобретают более важное значение.
Из этого упражнения я могу сделать вывод, что лучше оптимизировать конструкцию электролизера с ПОМ, сосредоточив внимание на снижении капитальных затрат, хотя существует предел, при котором отдача начинает уменьшаться, и в этом случае независимо от того, сколько исследований направлено на увеличение количество водорода, производимого на электролизер, просто не стоит того с финансовой точки зрения.
В заключение я думаю, что производители электролизеров, такие как Гинер, могут иметь сильных союзников для расширения своих производственных мощностей в таких компаниях, как 3M, и исследовательских институтах, таких как NREL, и я считаю, что их усилия лучше всего использовать для оптимизации конструкция электролизера, в которой основное внимание уделяется снижению капитальных затрат, а не операционных затрат.