Водородное топливо своими руками: Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.

Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку

Интерес к применению водорода появился еще в 70-х годах в период острого дефицита топлива. Первым современным разработчиком, который представил двигатель для автомобиля работающий на водороде, стал концерн Toyota. Именно он в 1997 году выставил на всеобщее обозрение внедорожник FCHV, который так и не пошел в серийное производство.

Несмотря на первую неудачу, многие компании продолжают исследования и даже производство таких автомобилей. Наибольших успехов добились концерны Тойота, Хендай и Хонда. Разработки ведут и другие компании — Фольксваген, Дженерал Моторз, БМВ, Ниссан, Форд.

В 2016 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom. Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение в конце 2017 года по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Интерес к покупке Coranda iLint уже проявила Норвегия, Дания и другие страны.

Особенности водорода как топлива для двигателя

В ДВС бензин смешивается с воздухом, после чего подается в цилиндры и сгорает, в результате чего происходит перемещение поршней и движение транспортного средства.

Применение водорода в виде топлива имеет ряд нюансов:

• После сжигания топливной смеси на выходе образуется только пар.
• Реакция воспламенения происходит быстрее, чем в случае с дизельным топливом или бензином.
• Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
• Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси.
• Водород — летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
• Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется.
• Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы мотора путем дозирования консистенции.

С учетом перечисленных нюансов применять H₂ в чистом виде для двигателя внутреннего сгорания нельзя. Требуется внесение конструктивных изменений в ДВС и установка дополнительного оборудования.

Устройство водородного двигателя

Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:

• Машины с 2-мя энергоносителями. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. КПД двигателя такого типа достигает 90-95 процентов. Для сравнения дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
• Автомобиль со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства. Сегодня удалось создать моторы, имеющие КПД от 75% и более.
• Обычные транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД еще на 20%.

Как отмечалось выше, конструкция мотора, работающего на H₂, почти не отличается от ДВС за исключением некоторых аспектов.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения. Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

Принцип работы

Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:

1. Моторы внутреннего сгорания;
2. Двигатели на водородных элементах.

Водородные моторы внутреннего сгорания

В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.

В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).

В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.

После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от H₂O для последующей реакции с O₂.

Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.

Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

Двигатели на водородных элементах

Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).

В анодную секцию подается H₂, а в катодную камеру — O₂. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).

Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.

Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

Где использовались водородные топливные элементы?

Особенность топливных элементов водородного типа —способность производить энергию для электрического мотора. Как результат, система заменяет ДВС или становится источником бортового питания на транспортном средстве.

Впервые топливные элементы были использованы в 1959 году компанией из США.

Если говорить в целом, топливные элементы применяются:

• НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ. В отличие от КПД стандартного двигателя, они показывают лучшие результаты. На испытании первого автобуса топливные элементы показали КПД в 57%. Сегодня такие устройства тестируются многими производителями автомобилей — Хонда, Форд, Ниссан, Фольксваген и другими.
• НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. На современном этапе больше 60% транспорта на ж/д — тепловозы. Сегодня водородные поезда разрабатываются во многих странах — Японии, Дании, США и Германии.
• НА МОРСКОМ ТРАНСПОРТЕ. Водородные топливные элементы наиболее востребованы на подводных лодках. Активные работы в этом направлении ведутся в Германии и Испании, а в роли заказчиков выступают другие страны, среди которых Италия, Греция, Израиль.
• В АВИАЦИИ. Первые самолеты на водородном двигателе появились еще в 80-х годах прошлого века. На современном этапе новый вид топлива применяется для создания беспилотных летательных аппаратов (в том числе вертолетов).

Также водородные топливные элементы нашли применение на вилочных погрузчиках, велосипедах, скутерах, мотоциклах, тракторах, автомобилях для гольфа и другой технике.

Преимущества и недостатки

Чтобы понять особенности и перспективы водородного двигателя в автомобиле, стоит знать его плюсы и минусы. Рассмотрим их подробнее.

Плюсы:

• ЭКОЛОГИЧНОСТЬ. Внедрение водородного двигателя — возможность забыть о проблеме загрязнения окружающей среды. При глобальном переходе на этот вид топлива удастся снизить парниковый эффект и, возможно, спасти планету. Экологичность новых разработок подтверждена компанией Тойота. Работники концерна доказали, что выхлоп из машины безопасен для здоровья. Более того, выходящую воду можно пить, ведь она дистиллирована и очищена от примесей.
• ОПЫТ РАЗРАБОТОК. Известно, что водородный двигатель создан давно, поэтому с его применением на автомобилях проблем быть не должно. Если углубится в историю, первое подобие мотора на водороде в начале XIX века удалось создать Франсуа Исаак де Ривазу — конструктору из Франции. Кроме того, в период блокады Ленинграда на новый вид топлива было переведено почти 500 машин.
• ДОСТУПНОСТЬ. Не менее важный фактор в пользу H₂ — отсутствие дефицита. При желании этот вид топлива можно получать даже из сточных вод.
• ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В РАЗНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ. Существует мнение, что водород используется только в ДВС. Это не так. Новая технология задействована при создании топливного элемента, с помощью которого удается получить электрический ток и запитать электромотор транспортного средства. Преимущества заключаются в безопасности и отсутствии ископаемых элементов, что исключает загрязнение окружающей среды. На современном этапе такая схема считается наиболее безопасной и пользуется наибольшим спросом у разработчиков.

Также к плюсам стоит отнести:

• Минимальный уровень шума;
• Улучшение мощности, приемистости и других параметров двигателя;
• Большой запас хода;
• Низкий расход горючего;
• Простота обслуживания;
• Высокий потенциал применения в виде альтернативного топлива.

Недостатки водородного двигателя:

• СЛОЖНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ H₂ ИЗ ВОДЫ. Как отмечалось, данный газ считается наиболее распространенным элементом на планете, но в чистом виде его почти нет. Этот газ имеет минимальный вес, поэтому он поднимается и удерживается в верхних слоях атмосферы. Атомы H₂ быстро связываются с другими элементами, в результате чего образуется вода, метан и другие вещества. Вот почему для применения водорода его необходимо извлечь, а для этого требуются большие объемы энергии. На текущий момент такое производство нерентабельно, что тормозит процесс внедрения водородных двигателей. По приблизительным расчетам цена литра, сжиженного H₂ равна от 2 до 8 евро. Итоговые расходы во многом зависят от способа добычи топлива.
• ОТСУТСТВИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА ЗАПРАВОК. Не меньшая проблема — дефицит АЗС, готовых заправлять машины водородным топливом. Проблема заключается в высокой стоимости оборудования для таких автозаправочных станций (если сравнивать с обычной АЗС). Сегодня разработано множество проектов станций для заправок водородом — от крупных до небольших заправок, но из-за дороговизны и отсутствия массового применения водородных двигателей на автомобилях процесс внедрения идеи может растянуться на десятилетия.
• НЕОБХОДИМА ДОРОГОСТОЯЩАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВС. Как отмечалось, водородное топливо теоретически может использоваться для заправки ДВС. Но для применения H₂ в качестве основного топлива требуются конструктивные изменения. Если ничего не менять, мощность мотора падает на 20-35%, а ресурс силового узла значительно снижается. Но и это не главный недостаток. Опасность в том, что такой механизм проработает недолго и быстро выйдет из строя. Сгорая, водородная смесь выделяет большее тепло, что приводит к перегреву поршневой и клапанной системы, а мотор работает в режиме повышенных нагрузок. Кроме того, высокие температуры негативно влияют на материалы, из которых сделан силовой узел, и смазывающие вещества. В результате рабочие элементы двигателя быстро износятся. Это значит, что без модернизации ДВС применение H₂ невозможно.
• ДОРОГОВИЗНА МАТЕРИАЛОВ. Главным «камнем преткновения» в вопросе развития водородных технологий является высокая стоимость материалов. В качестве катализатора используется платина, цена которой для рядового автовладельца очень высока. Проще потратить деньги и подарить дорогое кольцо жене, чем отдавать их для установки новой детали. Надежда остается на ученых, которые ищут альтернативы для дорогостоящего катализатора. Проводятся тестирования элементов, способных заменить драгоценный металл.

Кроме уже рассмотренных выше, стоит выделить еще ряд недостатков:

• Опасность пожара или взрыва.
• Риски для планеты, ведь увеличение объема водорода может привести к непоправимым последствиям для озонового слоя.
• Увеличение веса машины из-за применения мощных АКБ и преобразователей.
• Наличие проблем с хранением водородного топлива — под высоким давлением или в сжиженном виде. Исследователи еще не пришли к единому выводу, какой из вариантов лучше.

Опасность водородного топлива

В рассмотренных выше недостатках упоминалось об опасности применения водородного топлива для двигателя. Это главный минус новой технологии.

В сочетании с окислителем (кислородом) возрастает риск воспламенения водорода или даже взрыва. Проведенные исследования показали, что для воспламенения H₂ достаточно 1/10 части энергии, необходимой для зажигания бензиновой смеси. Другими словами, для вспыхивания водорода хватит и статической искры.

Еще одна опасность заключается в невидимости водородного пламени. При горении вещества огонь почти незаметен, что усложняет процесс борьбы с ним. Кроме того, чрезмерное количество H₂ приводит к появлению удушья.

Опасность в том, что распознать данный газ крайне сложно, ведь у него нет запаха и он полностью невидим для человеческого глаза.

Кроме того, сжиженный H₂ имеет низкую температуру, поэтому в случае утечки с открытыми частями тела высок риск серьезного обморожения. Находится данный газ должен в специальных хранилищах.

Из рассмотренного выше напрашивается вывод, то водородный двигатель опасен, и использовать его крайне рискованно.

На самом деле, газообразный водород имеет небольшой вес и в случае утечки он рассеивается в воздухе. Это значит, что риск его воспламенения минимален.

В случае с удушьем такая ситуация возможна, но только при нахождении в замкнутом помещении. В ином случае утечка водородного топлива опасности для жизни не несет. В оправдание стоит отметить, что выхлопные газы ДВС (а именно угарный газ) также несут смертельный риск.

Современные автомобили с водородными двигателями

Возможность применения двигателей на водородном топливе заинтересовала многих производителей. В результате в автомобильной индустрии появляется все больше машин, работающих на данном газе.

К наиболее востребованным моделям стоит отнести:

• Компания Тойота выпустила автомобиль Fuel Cell Sedan. Для устранения проблем с дефицитом пространства в салоне и багажном отсеке емкости с водородным топливом размещены на полу транспортного средства. Fuel Cell Sedan предназначен для перевозки людей, а его стоимость составляет 67.5 тысяч долларов.
• Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.
• Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
• «Монстр» от Дженерал Моторс показан в октябре 2016 года. Особенность автомобиля заключается в невероятной надежности, что подтверждено проведенными исследованиями армией США. Во время испытаний транспортное средство прошло больше 3 миллионов километров.
• Концерн Тойота выпустил на рынок водородную модель Mirai. Продажи начались еще в 2014 году на территории Японии, а в США — с октября 2015 года. Время на заправку Mirai составляет пять минут, а запас хода на одной заправке 502 км. ФОТО 21 22 Недавно представители концерна заявили, что планируют внедрять данную технологию не только в легковой транспорт, но и в вилочные погрузчики и даже грузовики. 18 колесный грузовик уже тестируется в Лос-Анжелесе.
• Производитель Лексус планирует свой вариант автомобиля с водородным двигателем в 2020 году, поэтому о транспортном средстве известно мало подробностей.
• Компания Ауди представила концепт H-tron Quattro в Детройте. По заверению производителя машина может проехать на одном баке около 600 км, а набрать скорость до 100 км/час удается за 7,1 секунду. Машина имеет «виртуальную» кабину, заменяющую стандартную приборную панель.
• БМВ в сотрудничестве с Тойотой планирует выпуск своего водородного транспортного средства к 2020 году. Производитель заверяет, что запас хода новой модели составляет больше 480 км, а дозаправка будет занимать до 5 минут.
• В 2013 году в компании Форд заявили, что активное производство водородных двигателей начнется уже к концу 2017 года при сотрудничестве с Ниссан и Мерседес-Бенц. Но реализовать задуманное на практике пока не удается — работники концерна находятся на этапе разработки.
• Мерседес-Бенц на Франкфуртском автосалоне представил внедорожник GLC, который появится на рынке в конце 2019 года. Авто комплектуется аккумулятором на 9,3 кВт*ч, а запас хода составляет 436 км. Максимальная скорость ограничивается электроникой на уровне 159 км/час.
• Nikola Motor представила грузовой автомобиль с водородным двигателем, имеющий запас хода от 1287 до 1931 км. Стоимость нового автомобиля составит 5-7 тысяч долларов за аренду в месяц. Выпуск планируется начать с 2020 года.
• Производитель Хендай создал новую линейку Tucson. На сегодняшний день произведено и реализовано 140 машин. Бренд Hyundai Genesis представил свой автомобиль с водородным двигателем GV Впервые транспортное средство было представлено в Нью-Йорке, но его производство пока не планируется.
• Великобритания тоже не отстает в плане новых технологий. В стране уже можно арендовать водородный автомобиль Riversimple Rasa на три или шесть месяцев. Машина весит чуть больше 500 кг и способна проехать на одной заправке около 500 км.
• Дизайнерский дом Pininfarina создал машину на водородном топливе h3 Speed. Особенность авто заключается в способности ускорятся до сотни всего за 3,4 секунды, а максимальная скорость — 300 км/час. Время на заправку составляет всего три минуты. Стоимость новой модели достигает 2,5 млн. долларов.

Трудности в эксплуатации водородных ДВС

Главным препятствием для внедрения новой технологии является чрезмерные расходы на получение водородного топлива, а также на приобретение комплектующих материалов.

Возникают проблемы и с хранением H₂. Так, для удерживания газа в требуемом состоянии требуется температура на уровне -253 градусов Цельсия.

Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство H₂ требуется в промышленных масштабах, не обойтись без высоких энергетических затрат.

Чтобы повысить рентабельность производства, требуется применение возможностей ядерной энергетики. Чтобы избежать рисков, ученые пытаются найти альтернативы такому варианту.

Перемещение и хранение требует применения дорогих материалов и механизмов высокого качества.

Нельзя забывать и о других сложностях, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации:

• Взрывоопасность. При утечке газа в закрытом помещении и наличии небольшой энергии для протекания реакции возможен взрыв. Если воздух чрезмерно нагрет, это только усугубляет ситуацию. Высокая проникаемость H₂ приводит к тому, что газ попадает в выхлопной коллектор. Вот почему применение роторного мотора считается более предпочтительным.
• При хранении водорода применяются емкости, имеющей большой объем, а также системы, исключающие улетучивание газа. Кроме того, используются устройства, исключающие механическое повреждение емкостей. Если для грузовых машин, водного или пассажирского транспорта эта особенность не имеет большого значения, легковая машина теряет ценные кубометры.
• При больших нагрузках и высокой температуре H₂ провоцирует разрушение элементов ЦПГ (цилиндропоршневой группы) и смазки в двигателе. Использование специальных сплавов и смазочных материалов приводит к повышению стоимости производства водородных двигателей.

Будущее водородных двигателей

Применение H₂ открывает большие перспективы и не только в автомобильной сфере. Водородные двигатели активно применяются на ж/д транспорте, на самолетах и вертолетах. Также они устанавливаются на вспомогательной технике.

Интерес к разработке таких моторов проявляют многие концерны, о которых уже упоминалось выше — Тойота, БМВ, Фольксваген, Дженерал Моторс и другие.

Уже сегодня на дорогах встречаются реальные автомобили, которые работают на водороде. Многие из них рассмотрены выше — БМВ 750i Hydrogen, Хонда FSX, Тойота Mirai и другие.

К работе подключились почти все крупные концерны, которые пытаются найти свою нишу на рынке.

Главным недостатком остается высокая цена H₂, нехватка АЗС, а также дефицит квалифицированных работников, способных обслуживать такую технику. Если имеющиеся проблемы удастся решить, машины с водородными двигателями обязательно появятся на наших дорогах.

Конкурирующие технологии

Внимание к моторам на водороде развеивается по той причине, что у технологии имеются конкуренты.

Вот только некоторые из них:

• ГИБРИДНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА — автомобили, способные работать от нескольких источников энергии. Многие концерны объединяют обычный двигатель внутреннего сгорания и электрический мотор. Еще один вариант гибридной машины — совмещение ДВС, а также силового узла, использующего в качестве топлива сжатый воздух.
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АВТОМОБИЛИ (ЭЛЕКТРОМОБИЛИ) — транспортные средства, которые приводятся в движение с помощью одного или группы электрических моторов, питающихся от АКБ или топливных элементов. В таких машинах ДВС не применяется. Электромобили не стоит путать с авто, имеющими электрическую подачу, а также с электрическим общественным транспортом (троллейбусами и трамваями).
• АВТОМОБИЛИ НА ЖИДКОМ АЗОТЕ. Источником энергии, как уже понятно по названию, является жидкий азот (находится в специальных емкостях). Мотор работает следующим образом. Топливо нагревается в специальном механизме, после чего испаряется и преобразуется в газ высокого давления. Далее оно направляется в мотор, где действует на ротор или поршень, передавая таким способом имеющуюся энергию. Машины на жидком азоте были представлены публике, но на современном этапе они не получили широкого применения. Один из таких автомобилей «сыграл» в фильме «Жидкий воздух» в 1902 году. Разработчики уверяют, что такое транспортное средство способно проехать больше 100 км на одном баке.
• АВТОМОБИЛЬ НА СЖАТОМ ВОЗДУХЕ. Особенность транспортного средства заключается в применении пневмодвигателя, благодаря которому и перемещается транспортное средство. Специальный привод называется пневматическим. Вместо топливовоздушной смеси источником энергии является сжатый воздух. Как отмечалось выше, такая технология входит в состав гибридных машин.

Можно ли сделать своими руками?

Технология работы двигателя на газ известна давно, и многие концерны достигли успехов в вопросе внедрения водородных двигателей. Над совершенствованием классического ДВС задумались и народные умельцы.

Суть заключается в подаче в камеру сгорания специального газа. Такое устройство носит название системы Брауна. При этом бензин также подается в двигатель, но смешивается с газом, что обеспечивает лучшее горение.

В результате появляется водяной пар, очищающий клапана и поршни двигателя от нагара, улучшающий характеристики мотора и повышающий его ресурс.

Чтобы своими руками разложить воду на газ, требуется катализатор, дистиллят, электроды и электричество.

Конструкция собирается из подручных материалов. Допускается применение одной банки, но лучше использовать шесть.

После вырезаются пластинки и объединяются по принципу крест-накрест. Далее они обматываются проволокой и крепятся на крышке. Важно, чтобы электроды не замыкались между собой.

На последнем этапе банки заполняются электролитом и катализатором. Такая схема может работать на любом автомобиле.

Если же говорить о полноценном водородном двигателе, то в гаражных условиях сделать его конечно же не получится из-за сложности технологии.

Водородное топливо своими руками

Использование водорода в качестве энергоносителя для обогрева дома – идея весьма заманчивая, ведь его теплотворная способность (33. 2 кВт / м3) превышает более чем в 3 раза показатель природного газа (9.3 кВт / м3). Теоретически, чтобы извлечь горючий газ из воды с последующим сжиганием его в котле, можно использовать водородный генератор для отопления. О том, что из этого может получиться и как сделать такое устройство своими руками, будет рассказано в данной статье.

Принцип работы генератора

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

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

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

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

Водородное отопление: миф или реальность?

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

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

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

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

Как изготовить генератор

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

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

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

Пластины, что служат электродами, могут быть произвольного размера. Но надо понимать, что производительность аппарата зависит от их площади поверхности. Чем большее число электродов удастся задействовать в процессе, тем лучше.

Но при этом и потребляемый ток будет выше, это следует учитывать. К концам пластин припаиваются провода, ведущие к источнику электричества. Здесь тоже есть поле для экспериментов: можно подавать на электролизер разное напряжение с помощью регулируемого блока питания.

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

Заключение

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

Мы привыкли считать самым доступным видом топлива природный газ. Но оказывается, у него есть достойная альтернатива – водород, получаемый при расщеплении воды. Исходное вещество для выработки этого топлива мы получаем вообще бесплатно. А если еще и сделать водородный генератор своими руками, экономия будет просто потрясающей. Так ведь?

Мы готовы поделиться с вами ценной информацией о вариантах и правилах сборки технической установки, предназначенной для производства водорода. Изучение представленной вашему вниманию статьи станет гарантией изготовления безотказно действующего прибора.

Желающим собственноручно соорудить генератор дешевого, но весьма продуктивного горючего мы предлагаем обстоятельно изложенную инструкцию. Приводим рекомендации по грамотной эксплуатации. В качестве информативных дополнений, наглядно объясняющих принцип действия, использованы фото-приложения и видео.

Методы получения водорода

На уроках химии средней школы когда-то давались пояснения на тот счёт, как получить водород из обычной воды, вытекающей из под крана. Есть в химической сфере такое понятие – электролиз. Именно благодаря электролизу имеется возможность получать водород.

Простейшая водородная установка представляет собой некую ёмкость, заполненную водой. Под слоем воды размещаются два пластинчатых электрода. К ним подводится электрический ток. Так как вода является отличным проводником электрического тока, между пластинами устанавливается контакт с малым сопротивлением.

Проходящий сквозь малое водяное сопротивление ток способствует образованию химической реакции, в результате которой образуется водород.

Казалось бы, всё просто и остаётся совсем немного – собрать образовавшийся водород, чтобы применить его в качестве энергетика. Но в химии никогда не обходится без тонких деталей.

Так и здесь: если водород соединяется с кислородом, при определённой концентрации образуется взрывоопасная смесь. Этот момент является одним из критичных явлений, ограничивающих возможности построения достаточно мощных домашних станций.

Конструкция водородного генератора

Для постройки генераторов водорода своими руками обычно берут в качестве основы классическую схему установки Брауна. Такой электролизёр средней мощности состоит из группы ячеек, каждая из которых содержит группу пластинчатых электродов. Мощность установки определяется общей площадью поверхности пластинчатых электродов.

Ячейки помещаются внутрь ёмкости, хорошо изолированной от внешней среды. На корпус резервуара выводятся патрубки для подключения водяной магистрали, вывода водорода, а также контактная панель подключения электричества.

Схема генератора Брауна, кроме всего прочего, предусматривает наличие водяного затвора и обратного клапана. За счёт этих элементов организуется защита установки от обратного хода водорода. По такой схеме теоретически не исключается сборка водородной установки, к примеру, для организации отопления загородного дома.

Водородное отопление в доме

Собрать генератор водорода для эффективного отопления дома – затея, может быть не фантастическая, но явно крайне нерентабельная. Для того чтобы получить необходимый объём водорода под домашнюю котельную, потребуется не только мощная электролизная установка, но также значительный объём электрической энергии.

Компенсация затраченного электричества полученным в домашних условиях водородом видится процессом нерациональным.

Тем не менее, попытки решить задачу, как сделать водородный генератор для дома своими руками, не прекращаются. С принципом работы и устройством одной из проверенных на практике моделей водородного котла ознакомит статья, с которой мы рекомендуем ознакомиться.

И вот пример одного из пыточных вариантов:

1. Подготавливается герметичная надёжная ёмкость.
2. Делаются трубчатые или пластинчатые электроды.
3. Собирается схема управления рабочим напряжением и током.
4. Делаются дополнительные модули для рабочей станции.
5. Подбираются аксессуары (шланги, провода, крепёж).

Естественно, потребуется инструментальный набор, включая специальное оборудование, например, осциллограф и частотомер. Укомплектовавшись всем необходимым, можно приступать непосредственно к изготовлению водородной отопительной установки для дома.

Реализация проекта своими руками

Изначально потребуется сделать ячейку генерации водорода. Топливная ячейка имеет габаритные размеры чуть меньше внутренних размеров длины и ширины корпуса генератора. По высоте размер блока с электродами составляет 2/3 высоты основного корпуса.

Ячейку можно сделать из текстолита или оргстекла (толщина стенки 5-7 мм). Для этого нарезаются по размерам пять текстолитовых пластин. Из них склеивается (эпоксидным клеем) прямоугольник, нижняя часть которого остаётся открытой.

На верхней стороне прямоугольника высверливаются нужное количество мелких отверстий под хвостовики электродных пластин, одно мелкое отверстие для датчика уровня, плюс одно отверстие диаметром 10-15 мм для выхода водорода.

Внутри прямоугольника размещаются платины электродов, контактные хвостовики которых выводят через отверстия верхней пластины за пределы ячейки. Устанавливается датчик уровня воды на отметке 80% заполнения ячейки. Все переходы в текстолитовой пластине (кроме выхода водорода) заливают эпоксидным клеем.

Отверстие выхода водорода нужно оснастить штуцером – закрепить его механически, применяя уплотнение или же вклеить. Собранная ячейка генерации водорода размещается внутри главного корпуса устройства и по верхнему периметру тщательно герметизируется (опять же можно применить эпоксидную смолу).

Но перед тем как заложить ячейку внутрь, корпус генератора нужно подготовить:

• сделать подвод для воды в области днища;
• изготовить верхнюю крышку с крепежом;
• подобрать надёжный уплотнительный материал;
• разместить на крышке электрический клеммник;
• разместить на крышке водородный коллектор.

В результате должен получиться частично готовый к действию водородный генератор после того, как:

1. Топливная ячейка загружена в корпус.
2. Электроды подключены на клеммнике крышки.
3. Штуцер выхода водорода соединён с водородным коллектором.
4. Крышка установлена на корпус через уплотнитель и закреплена.

Останется только подключить воду и дополнительные модули.

Дополнения к водородному генератору

Самодельное устройство для получения водорода необходимо дополнить вспомогательными модулями. Например, модулем подачи воды, который функционально объединяется с датчиком уровня, установленным внутри генератора.

В простом виде такой модуль представлен водяным насосом и контроллером управления. Насос управляется контроллером по сигналу датчика, в зависимости от уровня воды внутри топливной ячейки.

По сути, желательно также иметь устройство, регулирующее частоту электрического тока и уровень напряжения, подаваемых на клеммы рабочих электродов топливной ячейки. Как минимум, электрический модуль должен оснащаться стабилизатором напряжения и защитой от перегрузки по току.

Водородный коллектор, в простейшем его виде, выглядит как трубка, где размещается вентиль, манометр, обратный клапан. От коллектора забор водорода осуществляется через обратный клапан и фактически уже может подаваться к потребителю.

Но на практике всё несколько сложнее. Водород – взрывоопасный газ, имеющий высокую температуру сгорания. Поэтому просто взять и закачать водород в систему отопительного котла в качестве топлива – так сделать не получится.

Критерии качества установки

Собрать качественную эффективную и продуктивную установку в домашних условиях крайне сложно. К примеру, если даже взять в расчёт такой критерий, как металл, из которого делаются электродные пластины или трубки, уже есть риск столкнуться с проблемами.

Долговечность электродов зависит от вида металла и его свойств. Можно, конечно, использовать ту же самую нержавейку, но продолжительность жизни таких элементов будет недолгой.

Существенную роль играют также монтажные размеры. Необходимы расчёты с высокой точностью по отношению к требуемой мощности, качеству воды и прочим параметрам.

Так, если величина зазора между рабочими электродами окажется вне расчётного значения, водородный генератор может не функционировать вовсе. В худшем случае мощность, на которую делался расчёт, окажется в несколько раз меньшей.

Даже сечение провода, соединяющего электроды с источником питания, имеет значение в устройстве генератора водорода. Правда, здесь дело касается безопасной эксплуатации устройства. Тем не менее, следует учитывать и эту деталь конструкции в домашнем исполнении.

Возвращаясь к безопасной эксплуатации системы, следует также не забывать о внедрении в конструкцию так называемого водяного затвора, препятствующего обратному движению газа.

Генератор промышленного изготовления

На уровне промышленного производства технологии изготовления водородных генераторов бытового назначения постепенно осваиваются и развиваются. Как правило, выпускаются энергетические станции домашнего применения, мощность которых не превышает 1 кВт.

Такой аппарат рассчитан на выработку водородного топлива в режиме постоянного функционирования не более чем в течение 8 часов. Главное их предназначение – энергоснабжение отопительных систем.

Также разрабатываются и производятся установки под эксплуатацию в составе кондоминиумов. Это уже более мощные конструкции (5-7 кВт), назначение которых не только энергетика отопительных систем, но также выработка электричества. Такой комбинированный вариант быстро набирает популярность в западных странах и в Японии.

Комбинированные водородные генераторы характеризуются как системы с высоким КПД и небольшим выбросом углекислого газа.

Российская промышленность тоже начала заниматься этим перспективным видом добычи топлива. В частности, «Норильский никель» осваивает технологии производства водородных установок, в том числе бытовых.

Планируется использовать самые разные типы топливных элементов в процессе разработки и производства:

• протонно-обменные мембранные;
• ортофосфорно-кислотные;
• протонно-обменные метанольные;
• щелочные;
• твердотельные оксидные.

Между тем процесс электролиза является обратимым. Этот факт говорит о том, что есть возможность получать уже нагретую воду без сжигания водорода.

Кажется, это очередная идея, ухватившись за которую можно запускать новый виток страстей, связанных с бесплатной добычей топлива для домашнего котла.

Выводы и полезное видео по теме

Экспериментируя дома с самодельными моделями, нужно приготовиться к самым неожиданным результатам, но негативный опыт – это тоже опыт:

Водородные генераторы для дома, изготовленные своими руками, – это пока что проект, существующий на уровне одной идеи. Практически реализованных проектов водородных генераторов своими руками нет, а те, что позиционируются в сети – воображения их авторов или же чисто теоретические варианты.

Так что остаётся рассчитывать только на промышленный дорогостоящий продукт, который обещает появиться уже в ближайшем будущем.

А вам известна оригинальная модель водородного генератора, не описанная в статье? Может быть, вы хотите поделиться ценной информацией, которая будет полезна домашним мастерам? Пишите, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке, размещайте фото по теме, высказывайте ваше мнение.

Данный способ получения водородного топлива путем электролиза воды будет слишком энергозатратен. Я могу вас уверить, что уже давно придуманы способы получения легкого, не затратного и экологически чистого топлива, например, того же водородного. Но кому-то это не выгодно. Электромобили “Тесла” подают немного надежды, и уже многие переходят от ДВС на электро. Однозначно, это шаг в нужном направлении.

Для тех, кто прочитал статью и заинтересовался. С 81го года эта тема не сходит со страниц журналов, газет и интернета. Многочисленные “авторы” публикуют “свои” работы, в т.ч. на ютубе, но ещё нигде не видел полный разбор подобной установки.

А именно:
1. Процесс электролиза стоит на законе Фарадея (25 Ампер) – нигде не видел расчёты баланса мощностей.
2. Ни в одной опубликованной установке не видел устройств охлаждения (особенно водяного затвора).
3. Нигде не видел устройств сброса избыточного давления газовой смеси электролизной установки.

Можно продолжать, но и этого достаточно, чтобы сделать очевидный вывод – никто из подобных “авторов” никогда не применял на практике подобное устройство. Разве что в качестве эксперимента.

При подаче тока на пластины (напомню по Фарадею до 25А) происходит естественное их нагревание. Согласно теории, нагрев свыше 60°С крайне не желателен. Чем выше ток, тем больше нагрев. Сколько секунд проработает подобное устройство без охлаждения? Особенно, если его изготовить из оргстекла… В результате электролиза воды происходит выделение пара, который проходя через водяной затвор проходит “очистку” и на выходе точное соотношение 2/1 водорода и кислорода. Повторюсь – где охлаждение? То, что показывают в многочисленных роликах, это можно назвать демонстрационной моделью, не более. То, что пытаются “всучить” с предприятий в лучшем случае обман потребителя построенный на алчность.

Полностью согласен с Геннадием и Сергеем! Закон сохранения энергии пока еще никто не отменял! И если предположить, что КПД электролизерной установки будет 100% (в пересчете на тепловую энергию, чего в принципе не может быть), то количество потраченного электричества будет равно энергии (теплу), выделяемого при сгорании водорода.

Ну а те уроды, которые проталкивают все эти тупые идеи определенно элементарную физику в школе не учили! От себя могу сказать – в электролизерной установке есть смысл только в виде высокотемпературной горелки/резака/сварки, когда ацетиленовая/простая газово-кислородная/электро и т.д. и т.п. по каким либо причинам не желательны или недоступны. Точка.

Развитие технологий привело к замене классических дровяных печек на котельные агрегаты. В качестве топлива, помимо дров и угля стали использоваться газ, масло, солярка и даже электричество. В последнее время энергию для автономных отопительных систем дополнительно получают с помощью солнечных батарей и геотермальных установок. Учитывая, что неиссякаемым источником энергии является водород, можно попробовать собрать водородный генератор своими руками для получения экологичного топлива.

Водородный генератор своими руками

Принцип работы устройства

Водородный генератор для отопления считается перспективной разработкой, поскольку получать горючее с высокой теплотворной способностью можно из обычной воды. Главная задача — получить чистый водород максимально простым и дешевым способом.

Получение водорода

Традиционно для этих целей используется метод электролиза. Его суть в следующем: в воду, недалеко друг от друга, помещают металлические пластины, которые подключены к источнику высокого напряжения. Вода проводит электрический ток, поэтому при подаче электроэнергии молекулу воды разрывает на составляющие. Высвобождение из каждой молекулы двух атомов водорода и одного атома кислорода позволяет получить так называемый газ Брауна с формулой ННО.

Теплотворная способность газа Брауна составляет 121 МДж/кг. При горении вещества не образуется вредных веществ, а для того, чтобы его использовать в качестве энергоносителя для отопления дома достаточно немного модернизировать стандартный газовый котел. Однако при создании установки для получения водорода своими руками особое внимание следует уделить мерам безопасности — при соединении водорода с кислородом образуется гремучая смесь.

Конструкция генератора

Электролизер, установка для выработки газа Брауна путем электролиза воды в больших объемах, состоит из нескольких ячеек, в которые вмонтированы металлические пластинчатые электроды. Чем больше суммарная площадь поверхности электродов, тем мощнее установка.

Ячейки находятся в герметичной емкости, которая оснащена патрубком для подключения к источнику воды, патрубком для отвода полученного газа, клеммами для подсоединения электропитания. Также генератор снабжен водяным затвором, предотвращающим контакт водорода с кислородом, и защитным клапаном для предотвращения эффекта обратного пламени — газ сгорает только в горелочном устройстве.

Принцип работы водородного генератора

Водородное отопление

Водородное отопление дома требует использования установки с большой площадью электродов, иначе отопительный котел не сможет эффективно нагревать теплоноситель. Применять обычный электролизер, нарастив его габариты, нерентабельно, поскольку на получение водорода будет тратиться больше электроэнергии, чем ушло бы на работу отопительного электрокотла для обогрева дома такой же площади.

Ведутся разработки более эффективных установок для получения водородного топлива без лишних энергозатрат. Известна история американского изобретателя Стенли Мейера, который создал «водородную ячейку», потребляющую в десятки раз меньше электроэнергии по сравнению с традиционными установками. Однако ученому не удалось совершить переворот в современных технологиях — он скоропостижно скончался от отравления, а чертежи установки исчезли.

Над созданием водородного генератора с попытками реализовать идею Мейера трудятся и в технических лабораториях, и в мастерских домашних умельцев во всем мире. Изобретение американского ученого заключалось в создании резонанса раскачивающейся молекулы воды с электрическими импульсами — в этом случае она расщепляется на атомы без использования высокого электрического напряжения.

Радужные перспективы

Водород — крайне перспективный энергоноситель по целому ряду причин:

1. Он в наличии во всей Вселенной, на Земле занимает десятое место по степени распространенности — энергоресурс можно назвать неисчерпаемым.
2. Газ не токсичен, не способен причинить вред живым организмам. Важно лишь предпринимать меры безопасности, чтобы исключить утечку с образованием «гремучей смеси» водорода с кислородом.
3. Продукт горения водорода — обычный водяной пар.
4. Энергоноситель отличается высокой теплоемкостью, температура горения составляет 3000°С.
5. При утечке газа он быстро улетучится, не причинив никакого вреда, поскольку в 14 раз легче воздуха. Но поблизости не должно быть открытого огня или искрящей проводки, иначе гремучая смесь взорвется.
6. Кубический метр водорода обладает теплотворной способностью 13000 Дж.

Преимущества водородного отопления

Водород как энергоноситель — сфера применения

Водород высоко оценивается как энергоноситель и активно используется, к примеру, в качестве топлива для космических ракет. Используются разные способы его получения в промышленных масштабах. В основном это газификация угля или нефтепродуктов, конверсия метана и его гомологов. Такой дешевый водород нельзя рассматривать как экологичное топливо, поскольку его добыча связана с вредными выбросами в атмосферу. Электролиз воды для получения водорода в больших объемах, применяется только в Норвегии, где имеется избыток дешевой электроэнергии.

Компактный электрический газогенератор нашел применение в сфере газорезки. Оборудование, производящее водород, удобнее в использовании по сравнению с баллонным газом — нет необходимости транспортировать тяжелые баллоны, зависеть от поставок сжиженного газа и т.д. Но в угоду удобству была принесена экономия — для электролитического процесса требуется достаточно много электроэнергии, в итоге стоимость энергоносителя существенно возрастает. При этом разница в стоимости купленного и произведенного водорода во многом компенсируется отсутствием затрат на его доставку.

Водородные отопительные котлы

На многих сайтах, посвященных системам отопления, можно встретить информацию о том, что водород составляет достойную конкуренцию природному газу в качестве энергоносителя для отопительного котла. Упор делается на то, что смонтировав генератор водорода, вы получаете возможность тратить на отопление не больше средств, чем на газовое, при этом не придется оформлять множество документов и платить серьезные суммы за подключение дома к центральной газовой сети.

На основании вышеизложенного в статье можно сделать выводы, что себестоимость водорода низка только при его промышленном производстве. То есть, получение топлива электролизом заведомо обойдется дороже, и ориентироваться на завлекательные цифры стоимости килограмма сжиженного водорода не имеет смысла.

Рассмотрим котельное оборудование, представленное на рынке. Выпуском водородных котлов занимается итальянская компания Giacomini, которая специализируется в сфере альтернативной энергетики. Также аналогичные агрегаты изготавливают некоторые китайские компании, успешно скопировавшие технологию.

Водородный котел на твердом топливе

Разработки компании Giacomini направлены на создание отопительного оборудования, которое было бы полностью безопасно для окружающей среды.

Водородный котел этой компании относится к указанной категории — его работа связана с выделением водяного пара, какие-либо вредные выбросы отсутствуют. В качестве энергоносителя используется водород, при этом его добывают путем электролиза.

Однако стоит обратить особое внимание на принцип действия этого котла. Полученный в системе водород не сжигается, он вступает в реакцию с кислородом в присутствии катализатора. В результате выделяется тепловая энергия, которой достаточно для нагрева отопительного контура до 40°С.

То есть, водородные котлы, которые предлагается приобрести по солидной цене, подходят лишь для использования в качестве теплогенератора для контура водяного пола, плинтусного или потолочного отопления.

Можно сделать вывод, что мировые производители котельного оборудования не нашли приемлемого технического решения, чтобы создать эффективный отопительный котел, способный использовать тепловую энергию сжигаемого водорода. Или рассчитали, что такой вариант нерентабелен.

Изготовление генератора собственными силами

В сети Интернет можно найти немало инструкций, как сделать водородный генератор. Следует отметить, что собрать такую установку для дома своими руками вполне реально — конструкция достаточно проста.

Компоненты водородного генератора своими руками для отопления в частном доме

Но что вы будете делать с полученным водородом? Еще раз обратите внимание на температуру горения этого топлива в воздухе. Она составляет 2800-3000°С. Если учесть, что при помощи горящего водорода режут металлы и другие твердые материалы, становится понятно, что установить горелку в обычный газовый, жидкотопливный или твердотопливный котел с водяной рубашкой не получится — он попросту прогорит.

Умельцы на форумах советуют выложить топку изнутри шамотным кирпичом. Но температура плавления даже лучших материалов данного типа не превышает 1600°С, долго такая топка не выдержит. Второй вариант — использование специальной горелки, которая способна понизить температуру факела до приемлемых величин. Таким образом, пока не найдете такую горелку, не стоит начинать монтировать самодельный водородный генератор.

Советы по сборке и эксплуатации генератора

Решив вопрос с котлом, выберите подходящую схему и инструкцию на тему, как сделать водородный генератор для отопления частного дома.

Самодельное устройство будет эффективным только при условии:

• достаточной площади поверхности пластинчатых электродов;
• правильного выбора материала для изготовления электродов;
• высокого качества жидкости для электролиза.

Какого размера должен быть агрегат, генерирующий водород в достаточных количествах для отопления дома, придется определять «на глазок» (на основании чужого опыта), либо собрав для начала небольшую установку. Второй вариант практичнее — он позволит понять, стоит ли тратить деньги и время на монтаж полноценного генератора.

В качестве электродов в идеале используются редкие металлы, но для домашнего агрегата это слишком дорого. Рекомендуется выбрать пластины из нержавеющей стали, желательно ферромагнитной.

Конструкция водородного генератора

К качеству воды предъявляются определенные требования. Она не должна содержать механические загрязнения и тяжелые металлы. Максимально эффективно генератор работает на дистиллированной воде, но для удешевления конструкции можно ограничиться фильтрами для очистки воды от ненужных примесей. Чтобы электрическая реакция протекала интенсивнее, в воду добавляют гидроксид натрия в соотношении 1 столовая ложка на 10 л воды.

Экономический вопрос

Прежде чем начать подробно разбираться, как сделать водородный генератор, желательно вспомнить школьный курс физики. Все преобразования происходят с потерей энергии, то есть, затраты электроэнергии на получение водорода не окупятся тепловой мощностью при сжигании полученного топлива.

Если учесть, что сжигать водород с максимальной температурой и теплоотдачей в домашних условиях попросту невозможно, становится понятным, что реальные потери будут даже выше тех, что рассчитаны для идеальных условий.

Итак, использовать водородный генератор, сделанный для отопления своими руками, не имеет никакого смысла, если у вас нет доступа к бесплатной электроэнергии. Установить для отопления дома электрический котел и тратить электроэнергию напрямую, без сложных преобразований, обойдется вам в 2-3 раза дешевле. Кроме того, электрокотел полностью безопасен, а эксплуатация кустарной установки грозит взрывом при несоблюдении правил монтажа и эксплуатации.

Очевидно, что получение дешевого водорода экологически чистым способом, к которым относится электролиз, — это вопрос будущего, над которым сегодня работают ученые в передовых странах мира.

Водородный автомобиль своими руками

«Поехали!» — по-гагарински подталкивает меня локтем главный редактор. Но не так быстро: сначала нужно «прогреть» топливный элемент на неполной нагрузке. Переключаю тумблер в режим «warm up» («прогрев») и жду положенное время. Потом на всякий случай дозаправляю бак до полного. Вот теперь поехали: машинка, плавно жужжа двигателем, трогается вперед. Динамика впечатляет, хотя, впрочем, чего еще ждать от электромобиля — момент постоянный на любых оборотах. Хотя и ненадолго — полного бака водорода хватает всего на несколько минут (компания Horizon обещает в ближайшем будущем выпустить новый вариант, в котором водород не запасается в виде газа под давлением, а удерживается пористым материалом в адсорбере). Да и управляется, прямо скажем, не очень — на дистанционном управлении всего две кнопки. Но в любом случае жаль, что это только радиоуправляемая игрушка, которая обошлась нам в $150. Мы бы не отказались покататься на настоящей машине с топливными элементами в качестве энергетической установки.

1 / 2

Бак, эластичная резиновая емкость внутри жесткого кожуха, при заправке растягивается и работает в качестве топливного насоса, «выдавливая» водород в топливный элемент. Чтобы не «перезаправить» бак, один из штуцеров подключен пластиковой трубкой к аварийному клапану сброса давления.

Сделай сам

Машина Horizon H-racer 2.0 поставляется в виде набора для крупноузловой сборки (типа «сделай сам»), купить её можно, например, на «Амазоне». Однако собрать ее несложно — достаточно поставить на место топливную ячейку и закрепить ее винтами, подсоединить шланги к баку для водорода, топливному элементу, заправочной горловине и аварийному клапану, и остается только поставить верхнюю часть корпуса на место, не забыв передний и задний бамперы. В комплекте идет заправочная станция, которая получает водород методом электролиза воды. Питается она от двух батареек АА, а если захочется, чтобы энергия была совсем «чистой», — от солнечных батарей (они тоже входят в комплект).

Будущее водородных двигателей | Новости автомобилестроения в Германии | DW

Наши опыты мы проводим вот за этими стальными дверями. Там стоят приборы, при помощи которых мы можем проводить эксперименты, можно сказать, в любых условиях – при самой различной температуре и давлении,

Лаборатория, у входа в которую стоит Михаэль Фельдерхофф, сотрудник Научно-исследовательского института имени Макса Планка, напоминает бункер. Внутри — площадка около пяти квадратных метров, окруженная высокими и массивными железобетонными стенами. На фоне белых, почти светящихся плоскостей в глаза бросается баллон яркокрасного цвета. В нем водород – энергоноситель будущего. По мнению ученых, именно он станет тем самым чудодейственным средством, которое поможет человечеству избавиться от нефтяной «энергозависимости». Ведь теплота сгорания единицы массы водорода почти в два с лишним раза превосходит бензин, а параметры горения позволяют в полтора раза повысить КПД двигателя внутреннего сгорания. Топливо это абсолютно экологичное.

Оно может использоваться не только как основное топливо, но и в качестве добавки к традиционным углеводородам, повышающей экономичность и снижающей токсичность выбросов. Но, по мнению экспертов, самое эффективное применение водорода — это создание электродвигателя с водородным топливным элементом и электроприводом. Попытки использования водорода как топлива начались ещё полтора столетия назад. Первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода, был выдан в Англии в 1841году. В 20-е годы прошлого столетия началось использование водородных двигателей на дирижаблях фирмы «Цеппелин». Для них в качестве топлива использовался водород, наполнявший дирижабль. Первые энергетические кризисы 70-х годов, а также резкое ухудшение экологической ситуации резко повысили интерес к этому альтернативному виду топлива. К началу 80-х почти во всех ведущих индустриальных странах были созданы экспериментальные водородные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на водороде, бензоводородных смесях и смесях водорода с природным газом. Но до победного шествия водородной энергетики по-прежнему далеко. Учеными предстоит ещё преодолеть немало трудностей. К примеру, дать ответ на вопрос: Как хранить водород? В свободном состоянии — это бесцветный газ с очень малой плотностью, составляющей около 7 процентов плотности воздуха. Поэтому для его хранения и перевозки необходимо поддерживать очень высокое давление или же иметь в распоряжении резервуары гигантского размера. И то и другое неприемлемо для автомобильных двигателей. В настоящий момент исследователи работают над созданием водородного автомобиля, пробег которого без дозаправки достиг бы 500 километров. К сожалению, и жидкий водород для этих целей не подходит, несмотря на то, что занимает в 700 раз меньше места. Для того, что бы довести газ до жидкого состояния необходимо поддерживать температуру минус 253 градуса по Цельсию. Поэтому ученые института имени Макса Планка в немецком городе Мюльгейм-на-Руре сосредоточили внимание на ещё одном — третьем и наиболее перспективном способе хранения водорода — при помощи металлогидридов:

Металлогидриды – это соединения из металла и водорода. На единицу объёма некоторых металлогидридов приходится больше связанного водорода, чем в низкотемпературном контейнере для жидкого водорода той же емкости.

Принцип этот известен уже давно. Несколько лет назад в германские военно-морские силы поступила на вооружение подводная лодка U-31, основной особенностью которой является её уникальная силовая установка. Помимо дизельного двигателя и аккумуляторов, в ее состав входят модули топливных батарей. Горючим для них служит водород, который хранится не в газообразной или сжиженной форме, а в виде металлогидридов. Однако гидриды хранят водород с небольшой плотностью энергии на единицу веса, поэтому топливные модули очень тяжелые:

На субмарине вес блоков, хранящих водород, особого значения не имеет. И, наоборот, вес играет решающую роль, когда речь идет о применении сплавов в других, так сказать, мобильных сферах – автомобилях, а также ноутбуках, бытовой и развлекательной электронике.

В связи с этим Михаэль Фельдерхофф и его коллеги делают ставку на легкие металлы, такие как натрий или алюминий. Смесь водорода с ними – специальный водородный порошок под названием натриумаланат — может хранить до пяти процентов водорода. Это означает, что в 100 килограммовом автомобильном баке можно перевозить до пяти килограммов водорода. На 500 киломеров пробега этого должно хватить. Но не только вес беспокоит мюльгеймских ученых. На то, чтобы зарядить водородом хотя бы 80 процентов такого бака с натриумаланатом, потребуется целый час. Для ускорения процесса в порошок добавляют катализаторы — мельчайшие частицы титана, церия или скандия. Тогда заправка длится не более восьми минут. И всё же до практического применения этой технологии ещё далеко:

Взаимодействие металла с водородом порождает химическую реакцию. В результате при получении металлогидрида выделяется много тепловой энергии. А это в свою очередь означает, что здесь нам нужен хороший теплообменный аппарат, который мог бы отводить тепло за кратчайшие сроки. Это основная проблема, над которой сейчас работают инженеры. Её решение потребует больших усилий.

Итак, заправка позади. Осталось только тронуться с места. Теперь из порошка необходимо выделить водород. Для этого нужно разогреть его до ста градусов. Тепловая энергия при этом должна поступать извне. В идеале можно было бы использовать то самое тепло, которое выделилось во время реакции при образовании металлогидрида.

Михаэль Фельдерхофф уверен, что первые серийные водородные автомобили всё ещё будут оснащены газовыми баллонами. Но когда гидриды легких металлов пройдут боевое крещение в ноутбуках и переносной электронике, настанет черед и автомобиля. В случае же если проблемы с теплообменом, давлением и скоростью позарядки решить так и не удастся, вполне возможно будут применяться съемные топливные баки-контейнеры. На заправке можно будет экономить время, попросту меняя пустые баки на уже заполненные.

В нашей исторической рубрике сегодня мы поговорим о покрышках, камерах и протекторах. Думаю, большинству наших слушателей не нужно объяснять, что всё это – составляющие элементы пневматической шины, изобретенной по сравнению с историей колеса не так уж и давно – всего 160 лет назад. Колесо же в виде деревянного диска появилось более пяти тысяч лет назад. На протяженнии целых тысячелетий оно почти не менялось, разве что в нем появились спицы и само колесо стало металлическим. Поэтому по сравнению с эволюцией колеса развитие шины было процессом бурным и скоротечным. Многие века роль шины для колеса выполнял металлический обруч, который насаживался на обод. Ударяясь о камни и попадая в колдобины, он издавал страшный грохот, но тем не менее со своей задачей справлялся: повышал живучесть или, как принято говорить, «ходимость» колеса. Только в XVIII веке на смену обручам пришли резиновые монолиты из каучука. Появлению пневматической шины способствовало и изобретение Чарльза Макинтоша, который в 1823 году пропитал жидким каучуком льняную ткань, придав ей тем самым водо- и воздухонепроницаемые свойства. Первым же, кто запатентовал пневматическую шину был Роберт Томпсон шотландский инженер железнодорожного транспорта. Жил он в Лондоне, и оживленное столичное движение по булыжным мостовым производило такой невыносимый шум, что выросший в деревенской тиши Томпсон решил всерьез заняться созданием «умягчителя» для колеса. В результате 10 декабря 1845 года Томпсон официально зарегистрировал свое изобретение, а затем и запатентовал пневматическую шину. В приложении была подробно изложена конструкция, а также названы материалы для изготовления шин. Вот что написал сам Томпсон:

Суть моего изобретения состоит в изменении эластичных опорных поверхностей вокруг ободьев колес экипажей с целью облегчения движения и уменьшения шума, который они создают при движении.

Затем изобретение Томпсона было благополучно забыто, и о нем не вспоминали на протяжении 42 лет. В 1887 году ветеринар Джон Бойд Данлоп, поливал растения на своей ферме в Шотландии. Его 10-летний сын катался по участку на трехколесном велосипеде. Особенно ему нравилось переезжать через поливочный шланг. Отец обратил внимание на плавную амортизацию шланга, напряженного под давлением воды. Данлоп отрезал кусок шланга по размеру окружности велосипедного колеса, приспособил к нему ниппель, использовав при этом детскую соску, и заварил его с обоих концов в кольцо. Уже в следущем году…

Королева Виктория выдала ему патент на его изобретение. По сути, это и было рождение фирмы Данлоп,

— рассказывает пресс-секретарь немецкого филиала концерна Данлоп Петер Шмидт. Преимущества пневматической шины современники Данлопа оценили достаточно быстро, ведь именно в то время в Европе разразился настоящий велосипедный бум. Уже в 1889 году на стадионе в Белфасте один из гонщиков выступил на велосипеде с «воздушными шинами» и… неожиданно для зрителей и соперников выиграл во всех заездах.

Я не утверждаю, что мне удалось первому открыть принцип «воздушной шины». Какое-то время я действительно в это верил. По одной простой причине: ведь до недавних пор этого простого приспособления в обиходе не было. Я претендую лишь на звание первого успешного изобретателя шин. На счастье всего мобильного мира я как бы вновь изобрел идею Томпсона.

— писал позднее Данлоп. Первые проданные шины он сделал своими руками. Да и позднее на созданной им впоследствии фабрике практически все операции производились вручную:

Условия труда в те времена были просто несравнимо тяжелее, чем сегодня. Но, несмотря на то, что многое подверглось автоматизации, до сих пор в шинном производстве задействовано немало ручного труда.

— говорит Петер Шмидт. Как и все выдающиеся изобретения шина была воспринята с недоверием. К примеру, французам Андре и Эдуарду Мишлену пришлось выложить немало денег на рекламные цели. В 1894 году они бесплатно роздали шины нескольким сотням парижских извозчиков для того, чтобы те удостоверились в преимуществах этого технического новшества. Эта акция обошлась братьям Мишленам в 800 тысяч франков при том, что средняя зарплата французского рабочего тех времен составляла около 200 франков. Кстати, братья Мишлены первыми изобрели съемную шину, а также первыми установили пневматическую шину на автомобильные колеса.

За 160 лет существования пневматическая шина претерпела массу изменений. Конструкция шин постоянно совершенствовалась: камеру отделили от покрышки, стали вставлять в края покрышки проволочные кольца и сажать её на обод. Во время первой мировой войны начались разработки конструкций шин для грузовых автомобилей и автобусов. Пионерами в этой области были США. В первой половине ХХ века возникли крупные фирмы по производству шин, большинство из которых существуют и по сей день, а именно «Данлоп» вАнглии, «Мишлен» во Франции, «Гудьир» и «Файрстоун» в США, «Континенталь» и «Метцелер» в Германии, «Пирелли» в Италии. В середине 50-х годов появилась новая конструкция шин, разработанная фирмой «Мишлен». У неё был жесткий пояс, состоящий из слоев металлокорда. Нити корда располагались радиально от борта до борта. Такие шины получили название радиальных. Результатом испытания новой шины фирмы «Мишлен» явилось увеличение ходимости почти вдвое. В 70-е годы производители шин сосредоточились на повышении безопасности езды и снижении расхода топлива.

За последние годы конструкция шин изменилась мало. Зато химический состав материалов постоянно усовершенствуется. Например, ещё совсем недавно неразрешимой казалась задача улучшить характеристики зимних шин одновременно на мокром дорожном покрытии и на снегу. Применение полимеров и силикагеля помогло решить эту проблему.

Дальнейшее усовершенствование шин направлено также на увеличение срока службы, допускаемых нагрузок, упрощения технологии производства и увеличения безопасности движения транспортных средств. Однако, несмотря на многочисленные изменения и модернизации, которым подверглась пневматическая шина за 160 лет своего существования, основной принцип её устройства остался прежним. Петер Шмидт:

Это была настоящая революция. Иначе и по сей день мы бы тряслись и подпрыгивали на железных ободах.

Томские ученые нашли способ удешевить производство водородного топлива

Водород считается практически идеальным топливом, поскольку при сгорании он не выделяет вредных парниковых газов типа CO2 — только водяной пар. Эра чистого топлива, однако, еще не наступила — производить водород слишком дорого. Одна из причин в том, что в процессе используются катализаторы из благородных металлов.

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) нашли более доступную альтернативу металлам платиновой группы и разработали технологию получения перспективного материала — кубического карбида вольфрама. Как открытие российских исследователей приблизит повсеместное использование водородного топлива — под катом.

Почему водород?

Востребованность водорода растет, а объемы его использования удваиваются каждые 15 лет. Широкое применение этот химический элемент нашел в нефтепромышленности.

Помимо этого, водород имеет ключевое значение в так называемой декарбонизации экономики, подразумевающей уход от использования углеводородов. В качестве топлива он является одной из самых безвредных альтернатив. По оценкам BloombergNEF (BNEF), так называемый «зеленый» водород, полученный с помощью электролиза, может сократить глобальные выбросы парниковых газов до 34% к 2050 году.

На сегодняшний день объем рынка водородного топлива оценивается в $700 млрд. Во всех стратегических документах Евросоюза, принятых за последнее время, водород назван основным драйвером роста для преодоления экономического кризиса, вызванного COVID-19.

Трудности производства

Водород практически не встречается на Земле в чистом виде, элемент извлекают из других соединений в результате химических реакций. Как правило, это производство, которое экономически невыгодно либо его сложно поставить на промышленные рельсы. Ученые изучают различные способы удешевления и облегчения производства водорода. Ведь это напрямую влияет на то, как быстро мир сможет перейти на более экологичное топливо.^{Производство водорода из воды. Источник}

Эксперты BNEF прогнозируют, что еще до 2030 года «зеленый» водород будет стоить чуть выше $2/кг и начнет конкурировать с углем и природным газом в промышленности, например, при производстве стали. А к 2050 году химический элемент сможет конкурировать по цене с самым дешевым углем, при этом не производя ни грамма CO2.

Перспективы хорошие. Так, год назад немецкая нефтедобывающая компания Shell начала строить одну из крупнейших в мире установок по производству водорода методом электролиза. Планируется, что работать она начнет к концу года и сможет производить до 1300 тонн водорода ежегодно.

Более дешевый катализатор

Обычно при электролизе водорода используются катализаторы из металлов платиновой группы — платины, иридия, рутения и их производных. Все они причисляются к благородным металлам и являются очень дорогими.

Более дешевый аналог — кубический карбид вольфрама. Условия его производства непросты: для синтеза нужна температура под 3000°С и очень быстрое охлаждение. Но ученым Томского политехнического университета удалось разработать установку, позволяющую производить этот материал с высоким процентом чистоты (до 95 %).

^{Карбид вольфрама. Источник}

Установка — коаксиальный магнитоплазменный ускоритель. Высокой температуры и сверхбыстрого охлаждения он достигает с помощью плазменных струй. Их скорость составляет более 3 км/c, а сама реакция занимает менее 1 мс. В ускоритель помещают доступные и относительно дешевые порошки вольфрама и технического углерода. В рабочей камере устройства исходные порошки в ходе плазмохимической реакции трансформируются в кубический карбид вольфрама. Результаты экспериментов ученые описали в научном журнале Journal of Alloys and Compounds.

«Полученные в ходе реакции наночастицы кубического карбида вольфрама успешно применяются в реакции получения водорода из воды. Это позволит минимизировать использование редких и дорогостоящих благородных металлов платиновой группы», — рассказывает доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Иван Шаненков.

^{Иван Шаненков. Источник: ТПУ}

Что дальше

Перспективность материала ученые ТПУ подтвердили вместе с китайскими исследователями из Цзилиньского университета и Университета Циндао. В будущем ученые планируют повысить каталитическую активность материала и полностью отказаться от использования дорогостоящих благородных металлов при электрокатализе водорода из воды.

В Европе создано крупнейшее водородное содружество — ДРАЙВ

Ключевой участник проекта — транснациональная компания Air Products (со штаб-квартирой в США). Это один из мировых лидеров в области оборудования для генерации и распределения водорода. А ещё она владеет собственными сетями заправочных водородных станций в Америке, Европе и других частях света. Компания действует в десятках стран.

Официальный запуск проекта HyFIVE («Водород для инновационных автомобилей») состоялся 3 апреля в лондонском Сити-Холле. Собственно, администрация Большого Лондона и выступила координатором всей затеи, но затронет она несколько европейских городов. В ходе этого эксперимента компании BMW, Daimler, Honda, Hyundai и Toyota выпустят на улицы Больцано, Копенгагена, Инсбрука, Лондона, Мюнхена и Штутгарта в общей сложности 110 водородных легковушек.

В прошлом году для популяризации технологии топливных элементов компания Hyundai при поддержке заместителя мэра Лондона Кита Мальтхауса построила перед фасадом Лондонского музея дизайна инсталляцию Fuel Cell Farm. В ней выхлопная труба паркетника ix35 Fuel Cell была соединена с фильтром и далее с аквапонной фермой, где выращивались рыбки и растения. Тем самым наглядно была отражена главная идея: водородные топливные элементы — это система, совместимая с живой природой.

К сожалению, пока не заявлены все автомобили, участвующие в проекте. Точно известно, что из 110 машин 75 — паркетники Hyundai ix35 Fuel Cell. Вероятно, такое доминирование корейской модели связано с тем, что на сегодняшний день это де-факто единственная серийная легковушка на топливных элементах. Первые экземпляры уже отправлены клиентам не только в Южной Корее, но и в США, Дании, Франции, Германии, Швеции и Великобритании.

Компания BMW, как и другие участники проекта HyFIVE, много лет экспериментирует с водородными технологиями. Например, в «семёрке», выпущенной тиражом в сотню экземпляров, это горючее направлялось в ДВС. А в 2010 году компания создала «единичку» на топливных элементах. Причём то был гибрид: водородные электрохимические ячейки, суперконденсаторы и электромотор сочетались здесь с бензиновым двигателем.

Впрочем, предположить, какие ещё легковушки мы увидим в ходе проекта, несложно. Toyota уже тестирует свой водородный седан (кстати, в этом проекте японцы сотрудничают с уже упомянутой компанией Air Products). В продажу он поступит в 2015 году. У Хонды есть мелкосерийный автомобиль FCX Clarity, который раньше поставлялся в Европу. А в начале 2016 году компания намерена выпустить на европейский рынок его наследника. Ну а на опытном водородном хэтчбеке Mercedes B-Class F-Cell нам даже довелось поездить самим. Попутно мы узнали, какие трудности сдерживают распространение водородного топлива на транспорте.

Компания Mercedes мечтает, чтобы водородные легковушки питались за счёт энергии ветра. Пусть цепочка преобразований энергии получается длинной, зато никаких выбросов в атмосферу (изготовление ветряков — отдельный разговор). Кстати, по установленным мощностям ветровых электростанций Германия — в тройке мировых лидеров (впереди США и Китай), Италия и Дания тоже продвинулись. Австрия чуть позади.

За заправочную инфраструктуру в проекте HyFIVE отвечают компании Air Products, Copenhagen Hydrogen Network, ITM Power, OMV и Linde. Кстати, как раз последняя обеспечивала хэтчбеки B-класса водородом во время глобального автопробега в 2011 году. Эти фирмы предоставят машинам-участницам доступ к уже имеющимся заправкам, и, кроме того, построят шесть новых. Сейчас подбираются площадки для трёх водородных станций в Лондоне, по одной такой заправке откроют в Орхусе, Оденсе и Инсбруке.

В 2012 году специально к Олимпийским играм в Лондоне компания LTI совместно с рядом партнёров построила полторы сотни кэбов на топливных элементах. Под них в аэропорту Хитроу и некоторых других ключевых точках были возведены водородные заправки от Air Products, которые задействуют и в новом проекте.

Финансируется проект из нескольких источников. Компания Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, учреждённая несколькими европейскими фирмами, исследовательскими организациями и Еврокомиссией, выделила 18 миллионов евро. Ещё 20 млн евро в общей сложности внесут в копилку HyFIVE промышленные гиганты, участвующие в эксперименте (автомобилестроители и топливные компании). Цель HyFIVE — доказать жизнеспособность водородного транспорта и подготовить почву к массовому выводу таких автомобилей на рынок.

Томич создает дешевые и надежные топливные таблетки для беспилотников

11:28  17 октября 2016 г.

© с сайта Томского политехнического университета

ТОМСК, 17 окт – РИА Томск. Магистрант Томского политехнического университета (ТПУ) предложил топливную систему для автомобилей и беспилотников, работающих на водороде, которая будет дешевле и безопаснее аналогов, сообщила в понедельник пресс-служба вуза.

Поясняется, что в настоящее время водородное топливо используется для автомобилей, беспилотных летательных аппаратов и других устройств. При его использовании выделяются вода и энергия, вредных выбросов в атмосферу не происходит; 1 литр водорода заменяет 3 литра бензина. Однако хранится водородное топливо при очень высоком давлении и пониженной температуре, что делает двигатель взрывоопасным.

«Политехник предложил использовать углерод для создания безопасной «упаковки» водорода: технический углерод в соединении со стеаратом прессуется в таблетки, после чего таблетки подвергаются обжигу и затвердевают. В этой системе исключается риск самопроизвольного взрыва», – говорится в сообщении.

© предоставлено пресс-службой ТПУ По информации вуза, из нескольких таблеток составляется топливная система, в которую под высоким давлением подается водород. Он проникает в пористую структуру таблеток и соединяется с углеродом, в результате этого происходит реакция, которая приводит машину в движение. Установка для создания таких топливных таблеток также разработана политехниками.

Отмечается, что подобную систему можно будет установить в автомобиль или беспилотник. Предположительно, такие машины будут заправлять водородом на специальных заправках. Предполагается, что цена томской системы будет в несколько раз ниже, чем у тех, что уже существуют в мире.

Уточняется, что технология политехников – уникальная, такого решения до них никто не предложил. Прототип системы предполагается создать в 2017 году. Проект реализуется в рамках гранты программы «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Разработкой уже заинтересовались инвесторы.

Новый способ сделать водородную энергию из воды намного дешевле

Ученые показывают, как использование только воды, железа, никеля и электричества позволяет производить водородную энергию гораздо дешевле, чем раньше.

Автомобили с водородным двигателем вскоре могут стать больше, чем просто новинкой после того, как группа ученых под руководством UNSW продемонстрировала гораздо более дешевый и устойчивый способ создания водорода, необходимого для их работы.

В исследовании, опубликованном недавно в Nature Communications, ученые из Университета штата Южный Уэльс в Сиднее, Университета Гриффита и Технологического университета Суинберна показали, что улавливание водорода путем отделения его от кислорода в воде может быть достигнуто за счет использования в качестве катализаторов дешевых металлов, таких как железо и никель, которые ускоряют эта химическая реакция требует меньше энергии.

Железо и никель, которые в изобилии встречаются на Земле, заменят драгоценные металлы рутений, платину и иридий, которые до сих пор считаются эталонными катализаторами в процессе «расщепления воды».

Профессор школы химии UNSW Чуан Чжао говорит, что при расщеплении воды два электрода прикладывают к воде электрический заряд, который позволяет отделять водород от кислорода и использовать его в качестве энергии в топливном элементе.

«Мы покрываем электроды нашим катализатором, чтобы снизить потребление энергии», — говорит он.«На этом катализаторе есть крошечный наноразмерный интерфейс, где железо и никель встречаются на атомном уровне, который становится активным центром для расщепления воды. Именно здесь водород можно отделить от кислорода и уловить в качестве топлива, а кислород можно выбросить как экологически безопасные отходы ».

В 2015 году команда профессора Чжао изобрела никель-железный электрод для выработки кислорода с рекордно высокой эффективностью. Однако профессор Чжао говорит, что железо и никель сами по себе не являются хорошими катализаторами для генерации водорода, но там, где они соединяются в наномасштабе, «происходит волшебство».

«Наноразмерный интерфейс коренным образом меняет свойства этих материалов», — говорит он. «Наши результаты показывают, что никель-железный катализатор может быть таким же активным, как и платиновый, для производства водорода.

«Дополнительным преимуществом является то, что наш железо-никелевый электрод может катализировать образование как водорода, так и кислорода, поэтому мы не только можем сократить производственные затраты за счет использования элементов, богатых землей, но также и затраты на производство одного катализатора вместо двух».

Беглый взгляд на сегодняшние цены на металлы показывает, почему это могло бы изменить правила игры, необходимые для ускорения перехода к так называемой водородной экономике.Цена на железо и никель составляет 0,13 и 19,65 доллара за килограмм. Напротив, рутений, платина и иридий оцениваются в 11,77, 42,13 и 69,58 долларов за грамма — другими словами, в тысячи раз дороже.

«В настоящий момент, когда мы экономим на ископаемом топливе, у нас есть огромный стимул перейти к водородной экономике, чтобы мы могли использовать водород в качестве экологически чистого энергоносителя, которого много на Земле», — говорит профессор Чжао.

«Мы говорили о водородной экономике целую вечность, но на этот раз похоже, что она действительно приближается.”

Профессор Чжао говорит, что если технология разделения воды получит дальнейшее развитие, однажды могут появиться водородные заправочные станции, похожие на сегодняшние заправочные станции, куда вы могли бы пойти и заправить свой автомобиль на водородных топливных элементах водородным газом, полученным в результате этого водоразделения. реакция. Заправку можно было произвести за считанные минуты по сравнению с часами в случае электромобилей с питанием от литиевых батарей.

«Мы надеемся, что наши исследования могут быть использованы такими станциями для производства собственного водорода с использованием устойчивых источников, таких как вода, солнечная энергия и эти недорогие, но эффективные катализаторы.”

Ссылка: «Общее электрохимическое расщепление воды на гетерогенной границе раздела никеля и оксида железа» Брайан Х. Р. Сурьянто, Юн Ван, Розали К. Хокинг, Уильям Адамсон и Чуан Чжао, 6 декабря 2019 г., Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-019-13415-8

Авторы исследовательской работы: Брайан Сурьянто (UNSW), Юн Ван (Griffith), Розали Хокинг (Swinburne), Уильям Адамсон (UNSW) и Чуан Чжао (UNSW).

Как построить топливный элемент

Первым шагом в создании топливного элемента является определение требований к мощности, необходимых для питания конкретного устройства или приложения. Топливные элементы можно использовать для питания чего угодно, включая телефоны, ноутбуки, автомобили, автобусы, дома, предприятия и даже космические шаттлы! Единичный топливный элемент может быть спроектирован для получения любого тока, необходимого для конкретного применения, путем простого увеличения или уменьшения размера активной области электрода. Выходное напряжение одиночного элемента составляет менее 1 В в реальных условиях эксплуатации, но большинство разработчиков топливных элементов используют напряжение от 0,6 до 0,7 В при номинальной мощности. Однако системы топливных элементов могут быть спроектированы на номинальное напряжение 0.8 В на элемент или выше, если выбраны правильная конструкция, материалы, условия эксплуатации, баланс оборудования и электроника. Для большинства применений используется батарея топливных элементов, состоящая из множества отдельных элементов, соединенных последовательно. Количество ячеек в стопке определяется максимальным требованием напряжения и желаемым рабочим напряжением. Некоторые требования к мощности и напряжению для обычных топливных элементов приведены в таблице 1.

Приложение	Максимальная мощность Требование (Вт)	Максимальное напряжение Требование (V)	Средняя мощность Поставка
Сотовый телефон	3	4.2	1,7
Ноутбук	20	12,6	15
Скутер	7,7	51	1,2 кВт
Автомобиль	120 кВт	284	72 кВт
Резервный источник питания	5 кВт	30	1.26 кВт
Стационарная мощность	500 кВт	480	5 кВт

Таблица 1. Пример требований к напряжению и мощности для топливных элементов

Выходная мощность батареи топливных элементов может быть спроектирована путем расчета максимально возможного скачка мощности и напряжения, который может произойти во время работы устройства (в зависимости от нагрузки), а затем включения коэффициента безопасности в расчет расчетной мощности.После того, как начальные требования к мощности будут оценены, мы можем приступить к подготовке деталей и материалов топливных элементов. Основные части топливного элемента, показанные на рисунках 1 и 2:

1. Протонообменная мембрана , которая способствует химической реакции внутри топливного элемента, позволяя протонам водорода проходить через мембрану.
2. Слои подложки электродов , которые позволяют топливу и окислителю перемещаться к катализатору, собирая электроны.
3. Катализатор , расщепляющий топливо на протоны и электроны.
4. Пластины Flowfield распределяют газы и жидкости по топливному элементу.
5. Прокладки , предотвращающие утечку топлива и помогающие распределить давление в дымовой трубе.
6. Токосъемники , которые собирают электроны с пластин поля потока.
7. Торцевые пластины обеспечивают поддержку и сжатие компонентов.
8. Зажимной механизм , удерживающий стопку вместе.

Рис. 1. Изображение одноэлементного топливного элемента

Конечно, есть много вспомогательных компонентов, которые добавляются к коммерческим батареям топливных элементов, чтобы оптимизировать и контролировать выходную мощность батареи топливных элементов. Отдельные системы увлажнения и охлаждения необходимы для больших штабелей, чтобы гарантировать, что температура системы остается достаточно низкой, чтобы перфторированная мембрана Nafion® оставалась гидратированной и эффективно проводила протоны.При рассмотрении соответствующей конструкции топливного элемента следует учитывать несколько основных соображений:

• Топливо и окислитель должны быть равномерно распределены по площади поверхности каждой ячейки и равномерно распределены по всей батарее. Это обеспечит равномерное производство электроэнергии и воды внутри трубы.

• Температура должна быть равномерной по всей батарее топливных элементов. Это становится сложной задачей, поскольку количество ячеек увеличивается, а нагрузка потребляет большую мощность. Равномерная температура обеспечивает равномерную скорость распределения энергии, поскольку с повышением температуры становится труднее управлять водой.

• При проектировании топливного элемента с полимерным электролитом мембрана не должна высыхать или заливаться водой. Проблемы управления водными ресурсами значительно снижают производительность топливного элемента.

• Резистивные потери должны быть минимальными. Один из методов уменьшения этих потерь — обеспечить хороший контакт между проводящими компонентами, чтобы позволить электронам течь с минимальным сопротивлением.

• Труба должна быть должным образом герметизирована, чтобы исключить утечку газа. Прокладки должны иметь соответствующий размер, чтобы надежно герметизировать штабель.

• Стек должен быть прочным и выдерживать необходимые условия окружающей среды.

Рис. 2. Детали стека одиночных топливных элементов

Материалы для топливного элемента

Для изготовления низкотемпературного топливного элемента с протонообменной мембраной (PEMFC) основные материалы, необходимые для создания вашей первой батареи топливных элементов:

1. Протонообменная мембрана, например Nafion® 117
. 2. Раствор Nafion®
3. Карбоновая ткань или бумага
4. Катализатор, обычно платина
5. Пластины поля течения из графита или другого типа
6. Прокладочный материал для уплотнения газов в зоне потока
7. Металл для создания токоприемников
8. Торцевые пластины
9. Зажимной механизм типа гаек и болтов
10. Источник водорода
11. Контрольно-измерительные приборы, такие как мультиметр и осциллограф
. 12.Способ сжатия MEA вместе

После того, как вы скомпилировали эти материалы, первым делом нужно подготовить мембрану из полимерного электролита.

Подготовка мембраны из полимерного электролита

Мембрана из полимерного электролита, наиболее часто используемая в низкотемпературных топливных элементах, — это Nafion® (см. Рис. 3), которая представляет собой тонкую прозрачную пленку, которую необходимо разрезать до размера, подходящего для вашей конструкции топливного элемента. Его готовят путем погружения в несколько нагретых растворов деионизированной воды, перекиси водорода и разбавленной серной кислоты для активации групп сульфоновой кислоты в мембране.Типичная последовательность обработки мембраны включает погружение в растворы, нагретые до 80 ° C, в стеклянных стаканах. Каждый стакан удерживает пленку PEM в течение одного часа в следующей последовательности:

1. Дистиллированная вода для гидратации мембраны и растворения поверхностных загрязнений.
2. Раствор перекиси водорода для удаления органических загрязнений с поверхности ПЭМ.
3. Разбавьте серную кислоту, чтобы удалить загрязнения, содержащие ионы металлов с поверхности PEM, и сульфировать поверхность PEM.
4.Деионизированная вода для смывания серной кислоты с поверхности и гидратации ПЭМ.
5. деионизированная вода для промывки и повторного увлажнения PEM
6. Деионизированная вода для окончательного ополаскивания и увлажнения

Обрабатывая пленку, убедитесь, что она все время находится под водой, чтобы она была равномерно увлажненной. Следует следить за температурой раствора, чтобы убедиться, что она остается на уровне 80 ° C. После того, как мембрана из полимерного электролита окунется в каждый раствор, ее следует просушить в чистом месте.

Рис. 3. Химическая структура мембраны Nafion®

Подготовка электродного слоя

Электродный слой состоит из комбинации смеси платины и углеродного порошка , связанной с газодиффузионным слоем (GDL), который представляет собой проводящую ткань или бумагу из углеродного волокна. Платина — это компонент, который расщепляет топливо (например, водород) на протоны и электроны.Протоны проходят через мембрану, а затем рекомбинируют с окислителем (часто с воздухом или кислородом) с образованием побочного продукта химической реакции — воды. Электроны проходят через слой проводящего катализатора к GDL, пластинам поля потока, а затем к токоприемникам для питания нагрузки.

Для каждого MEA топливного элемента требуется два куска материала катализатора / электрода — один для анода, а другой для катода. GDL, такой как ткань из углеродного волокна, является подложкой для удерживания катализатора и часто покрывается тефлоном с одной стороны, чтобы помочь отводить воду в батарее топливных элементов.Слой катализатора часто наносят с использованием одного из нескольких методов, таких как окраска, трафаретная печать, распыление, электрохимическое осаждение, химическое осаждение или механическое осаждение. Самый простой и недорогой метод создания вашей первой батареи топливных элементов — это трафаретная печать.

Сборка мембранного электрода в сборе (MEA)

Два электродных слоя и мембрана из полимерного электролита (PEM) должны быть сплавлены вместе с использованием температуры и давления для правильного прохождения электронов и протонов в топливном элементе после химической реакции.Электродный слой сначала покрывается жидким раствором Nafion®, который наносится только на ту сторону катализатора, которая будет связана с полимерной мембраной. Покрытие можно наносить кистью, а затем сушить при комнатной температуре.

Затем три слоя (электрод-ПЭМ-электрод) помещают между набором нагревательных пластин и затем нагревают до 90 ° C под давлением в течение одного часа для испарения растворителей из жидкого покрытия Nafion®. Затем температуру повышают до 130 ° C в течение следующих тридцати минут.Как только нагревательные пластины и «сэндвич» PEM-электрода достигают 130 ° C, необходимо приложить дополнительное давление к трем слоям. Через две минуты при этой температуре и давлении температуру отключают, и пластины и МЭА охлаждают до комнатной температуры. После горячего прессования электроды и мембрану следует сплавить вместе.

Газовые прокладки и распорки

Когда батарея топливных элементов собирается вместе, не должно быть зазоров или трещин, которые позволили бы топливу уйти.Утечка топлива или окислителя может вызвать несоответствие скорости потока через топливный элемент. Герметизация топливного элемента осуществляется с помощью прокладок и прокладок. Можно использовать различные прокладочные материалы, включая резину, силикон и тефлон®. Материал прокладки должен иметь достаточную эластичность, чтобы компенсировать поверхностные дефекты пластин поля потока, и соответствующую толщину, чтобы соответствовать толщине других компонентов и выдерживать сжатие. Прокладки часто помещают вокруг модели поля потока, чтобы создать уплотнение для предотвращения утечки газа, и часто образуются вокруг токоприемников и окружают ячейки, чтобы запечатать газы в ячейке.

Сборка стека

Перед сборкой стопки MEA следует установить в центре куска майлара , чтобы обеспечить способ удержания его в стопке. Металлические электроды могут быть изготовлены из любого проводящего металла, который имеет хорошую коррозионную стойкость и достаточную толщину, чтобы вписаться в конструкцию пакета. Также следует изготовить торцевые пластины с соответствующими отверстиями для зажима стопки. Торцевые пластины могут быть изготовлены из металла, полимера или множества других материалов в зависимости от штабеля.Непроводящие концевые пластины изолируют и защищают штабель от внешней среды. Также могут использоваться токопроводящие концевые пластины, которые могут использоваться в качестве токоприемников, если пакет не будет контактировать с другими проводящими компонентами и будет установлен в непроводящем корпусе. Торцевые пластины помогают удерживать стопку вместе с помощью гаек и болтов или другого зажимного механизма. Пакет топливных элементов может быть собран путем последовательного добавления следующих слоев:

1. Торцевая пластина
2.Токосъемник и прокладки
3. Пластина поля потока
4. МЭБ и прокладки
5. Пластина поля потока
6. Токосъемник и прокладки
7. Торцевая пластина

Количество слоев MEA и пластины поля потока будет зависеть от расчетных требований к напряжению и мощности для конкретного приложения. Первая батарея топливных элементов, которую вы создаете, скорее всего, будет иметь только одну ячейку, но сложные стопки для автомобильных и резервных источников питания обычно содержат сотни элементов.

Тестирование топливных элементов

Если у вас ограниченный доступ к испытательному оборудованию, вы можете начать тестирование топливного элемента с помощью мультиметра и осциллографа. Эти инструменты предоставят только ограниченную информацию о системе топливных элементов (напряжение и ток), но этого будет достаточно, чтобы сначала увидеть, сколько энергии вырабатывает ваш топливный элемент. После того, как вы проверите свое начальное напряжение и ток, у вас сразу появятся идеи, как улучшить выходную мощность.Хорошая испытательная установка с несколькими методами мониторинга различных топливных элементов и свойств топлива позволяет вам контролировать и анализировать, как топливные элементы могут быть улучшены. Некоторые из параметров, которые контролируются в батареях коммерческих топливных элементов, включают температуру топлива, давление, скорость потока, температуру батареи, уровни влажности, а также многие другие параметры.

Заключение

Сборка топливных элементов — это увлекательный и познавательный способ узнать о нескольких различных инженерных и научных дисциплинах.При проектировании и изготовлении топливных элементов необходимо учитывать множество материалов и параметров. Некоторые из наиболее важных соображений при проектировании включают требуемую мощность, размер, материалы, компоненты и условия эксплуатации. После создания вашей первой батареи топливных элементов вы легко сможете оптимизировать свою батарею топливных элементов с помощью подробных требований к конструкции, таких как выбор материалов и компонентов, поле потока, диффузия газа, конструкция прокладки и токосъемника.

Автор ДокторКоллин Шпигель

Доктор Коллин Шпигель — консультант по математическому моделированию и техническому письму (президент SEMSCIO) и профессор, имеющий докторскую степень. и степень магистра инженерных наук. Она имеет семнадцатилетний опыт работы в области инженерии, статистики, обработки данных, исследований и технического письма для многих компаний в качестве консультанта, сотрудника и независимого владельца бизнеса. Она является автором книг « Designing and Building Fuel Cells » (McGraw-Hill, 2007) и «PEM Fuel Cell Modeling and Simulation using MATLAB» (Elsevier Science, 2008).Ранее она владела Clean Fuel Cell Energy, LLC, организацией по топливным элементам, которая обслуживала ученых, инженеров и профессоров по всему миру.

Как построить самый простой топливный элемент

Простейший топливный элемент «сжигает» водород в беспламенной химической реакции с образованием электричества. Чтобы «сжечь» водород, топливному элементу нужен источник кислорода, который обычно получают из воздуха. Единственным побочным продуктом этого типа топливных элементов является вода.

В отличие от батареи, топливный элемент не хранит химические вещества для производства энергии.Топливный элемент будет производить электричество, пока есть топливо и кислород.

Схема в простом топливном элементе

Простой топливный элемент состоит из двух проводников (анода и катода), разделенных ионным проводником — электролитом (например, солевым раствором). Водород перекачивается на анод, а кислород на катод. Водород реагирует с заряженными частицами (ионами) в электролите, образуя воду и электроны. Электроны покидают топливный элемент по проводам; это электрический ток, генерируемый ячейкой.Электроны возвращаются на катод топливного элемента, где они соединяются с кислородом и водой, образуя ионы, которые заменяют те, которые потребляются на аноде. И так цикл продолжается: водород и кислород превращаются в воду при выработке электричества.

Простые топливные элементы в космосе

Каждый простой топливный элемент вырабатывает до 1,23 вольт. Отдельные элементы могут быть соединены вместе, чтобы производить большее напряжение или больший ток. Например, космический шаттл имеет 96 отдельных ячеек, расположенных в три ряда.Когда водород и кислород закачиваются в топливные элементы шаттла, они вырабатывают 28 вольт постоянного тока, а также тепло и воду. Тепло используется с пользой, испаряя жидкое топливо до того, как оно достигнет топливных элементов. Вода поступает в емкости для хранения для питья и других целей.

Некоторые различные типы топливных элементов

Топливные элементы основаны на простом принципе. Однако химические реакции протекают нелегко. Если для изготовления ячеек не используются специальные материалы, вырабатывается очень небольшой электрический ток.Большая часть исследований коммерческих топливных элементов была сосредоточена на разработке подходящих электролитов.

• Топливные элементы на основе фосфорной кислоты , использующие кислоту в качестве электролита и работающие на газообразном водороде, являются наиболее коммерчески разрабатываемым типом топливных элементов. Они используются за границей в больницах, домах престарелых, гостиницах, офисах и школах.
• Топливные элементы с расплавленным карбонатом обещают высокую эффективность и могут работать на угольном топливе, таком как угарный газ, вместо газообразного водорода.Эти элементы должны работать при высоких температурах (около 650 ° C), потому что они содержат карбонатный электролит, который должен храниться в жидкой форме.

Австралийская компания Ceramic Fuel Cells Ltd занимается коммерческой разработкой высокоэффективных твердооксидных топливных элементов (также известных как керамические топливные элементы ). Эти элементы, в отличие от своих предшественников, имеют твердый электролит, разделяющий два электрода. Ячейки могут работать на различных газах, включая водород, природный газ или угольный газ.

Они обещают быть очень эффективными. Они работают при 800 ° C, и горячие выхлопные газы могут подаваться в турбину, что позволяет потреблять еще больше электроэнергии.

Твердый электролит состоит из исключительно прочной керамической мембраны из диоксида циркония. Диоксид циркония, или оксид циркония, представляет собой соединение металлического циркония. (Удобно, что 70 процентов мировых запасов этого металла поступает из Австралии.) Нагрейте диоксид циркония, и вы получите твердотельный электролит, способный быстро передавать оксидные ионы от катода к аноду.

Уловка, позволяющая заставить ионы оксида мигрировать через твердый электролит, заключается в добавлении крошечных количеств элемента иттрия, серебристо-серого металла, к диоксиду циркония во время производства. Кристаллический массив оксида циркония (ZrO ₂ ) имеет два оксидных иона на каждый ион циркония. Но в оксиде иттрия на каждый ион иттрия приходится всего 1,5 иона оксида. Результат: промежутки в кристаллической структуре, в которых отсутствуют оксидные ионы. Таким образом, ионы оксида с катода прыгают от отверстия к отверстию, пока не достигнут анода.

Попадая на анод, ионы оксида легко вступают в реакцию с любым газообразным топливом, с которым они сталкиваются — оксидом углерода, водородом или метаном, — высвобождая электричество.

Протонообменная мембрана (PEM) Топливные элементы , также известные как топливные элементы с полимерным электролитом , являются наиболее многообещающей технологией для транспортных приложений. Топливные элементы с протонообменной мембраной, изготовленные из компонентов из углерода и полимера и работающие при температуре 60-90 ° C, имеют легкий вес и позволяют быстро запускать и останавливать.К тому же они очень компактные.

(Посещений 10734, сегодня 1)

HyTech Power, возможно, решил водород, одну из самых сложных проблем в чистой энергии

Это странный химический поворот в том, что в самом обычном веществе на Земле есть топливо, заключенное в воде.

Водород — символ славы h3O — оказался чем-то вроде универсального элемента, швейцарского армейского ножа для получения энергии. Его можно производить без парниковых газов. Он легко воспламеняется, поэтому может использоваться в качестве топлива для сжигания.Его можно подавать в топливный элемент для производства электричества напрямую, без сжигания, с помощью электрохимического процесса.

Может храниться и распространяться в виде газа или жидкости. Его можно комбинировать с CO2 (и / или азотом и другими газами) для создания других полезных видов топлива, таких как метан или аммиак. Его можно использовать в качестве химического сырья в различных промышленных процессах, помогая производить удобрения, пластмассы или фармацевтические препараты.

Довольно удобно.

И это самый распространенный химический элемент во Вселенной, так что можно подумать, что у нас есть все, что нам нужно.К сожалению, это не так просто.

Выделять водород из других элементов, хранить его и преобразовывать обратно в полезную энергию — это дорого как с точки зрения денег, так и энергии. Ценность, которую мы получаем от этого, никогда полностью не оправдывала того, что мы вкладываем в его производство. Это одна из тех технологий, которая, кажется, постоянно находится на грани прорыва, но никогда не достигает цели.

Уроженец Сиэтла Эван Джонсон считает, что он может это изменить. Он думает, что наконец-то понял, как разблокировать водородную экономику.

Джонсон — далеко не первый и не единственный человек, ставший этой целью. Но после 10 лет экспериментов, испытаний и подготовки он разработал ряд технологий и практический бизнес-план, который проложил путь к реальному коммерческому масштабу использования водорода.

И хотя HyTech Power, где Джонсон является техническим директором, очевидно, стремится к финансовому успеху, Джонсон рассматривает свои продукты как нечто большее: способ использовать водород для немедленного уменьшения загрязнения при одновременном увеличении и сокращении затрат, достаточных для внесения более фундаментальных изменений в энергетику система.

Стационарный дизель-генератор с водородными форсунками HyTech. HyTech Power

HyTech нацелена на большой рынок, чтобы выйти на еще больший

HyTech Power, базирующаяся в Редмонде, штат Вашингтон, намеревается представить три продукта в течение ближайшего года или двух.

Первый будет использовать водород для очистки существующих дизельных двигателей, повышая их топливную эффективность на треть и устраняя более половины их загрязнения воздуха, со средней окупаемостью за девять месяцев, сообщает компания.Это потенциально огромный рынок с большим существующим спросом, который, как надеется HyTech, позволит капитализировать свой второй продукт — модернизацию, которая превратит любой автомобиль внутреннего сгорания в автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEV), позволив ему работать на чистом водороде. В первую очередь это будет нацелено на крупные флоты.

И это станет третьим продуктом — тот, на который Джонсон положил глаз с самого начала, тот, который может революционизировать и децентрализовать энергетическую систему — стационарный продукт для хранения энергии, предназначенный для конкуренции и, в конечном итоге, вытеснения с такими большими батареями, как Powerwall Теслы.

По крайней мере, таков план.

Мир энергетики, конечно, полон громких стартапов, и путь от прототипа к рыночному успеху долог и опасен. Для успеха HyTech потребуется нечто большее, чем просто умные технологии. Потребуется хорошее исполнение.

С этой целью компания недавно привлекла поддержку нескольких опытных руководителей Boeing, в том числе Джерри Аллина, который проработал 30 лет в Boeing и в декабре вышел на пенсию, чтобы возглавить расширение HyTech в качестве главного операционного директора.

Мягкая и неторопливая, с аккуратно подстриженной бородой, Аллин занимает небольшой офис на втором этаже бежевого здания HyTech, которое в основном занято огромным гаражом / мастерской. «Я очень скептически относился к технологии, как и обычно», — говорит он, но «как только я смог увидеть ее собственными глазами и понять физику, я подумал, о боже. Это действительно интересно! »

Его привлекло то, что исходные продукты не требуют новых рынков или инфраструктуры. «Теперь они действительно могут изменить мир», — говорит он.Ключ в первую очередь — дизельные двигатели. Их миллионы, они грязные и дорогие, и политики стараются их очистить. Это большой спрос. Компания «ожидает совершить много ошибок», — говорит Аллайн, но потенциальный рынок почти непостижимо велик.

Работа в гараже HyTech, переоборудование больших дизельных грузовиков. HyTech Power

И ставки выше быть не могут.В последние годы стало ясно, что какое-то безуглеродное, пригодное для хранения, горючее топливо является если не необходимым для полной декарбонизации энергетической системы, то, по крайней мере, чрезвычайно полезным.

Перед тем, как углубиться в продукты HyTech, стоит объяснить, почему доступный водород является такой заманчивой перспективой для тех, кто озабочен устойчивой энергетикой.

Проблема с водородом: его дорого собирать, хранить и преобразовывать

Около 95 процентов мирового производства водорода осуществляется за счет парового риформинга метана (SMR), продувки природного газа высокотемпературным паром под высоким давлением.Это энергоемкий процесс, требующий использования ископаемого топлива и оставляющий после себя поток углекислого газа, поэтому его использование для обезуглероживания энергетической системы ограничено.

Но также можно извлечь водород непосредственно из воды с помощью электролиза — это процесс поглощения воды (содержащей различные «электрокатализаторы») электричеством, стимулируя химическую реакцию, которая расщепляет водород и кислород. Если электролиз проводится с использованием возобновляемой электроэнергии с нулевым выбросом углерода, полученный водород является топливом с нулевым выбросом углерода.

Это решает проблему углерода, но есть и другие. Водород в воде на самом деле не хочет выпускать кислород (они «прочно связаны»), поэтому их расщепление требует довольно много энергии. Полученный водород необходимо хранить, либо сжимая его в виде газа с помощью больших насосов, либо (слабо) связывая его с чем-то еще и храня в виде жидкости. Для этого газа или жидкости потребуется распределительная инфраструктура. Наконец, водород должен быть извлечен из хранилища и преобразован обратно в энергию путем его сжигания или пропуска через топливный элемент.

К тому времени количество энергии, вложенной в процесс, значительно превышает то, что можно получить обратно.

Это был барьер. Если сложить все затраты на преобразование энергии, «добыча» водорода для использования в энергетической системе с нулевым выбросом углерода, как правило, была убыточным бизнесом. Полезные услуги, предоставляемые водородом, не могут компенсировать энергию (и деньги), необходимые для ее производства и использования. По крайней мере, не на сегодняшний день.

Вот почему, хотя люди добывают и сжигают водород с 17 века, двигатели и топливные элементы, работающие на водороде, существуют примерно с 19 века, а водород прошел через многочисленные циклы ажиотажа, вплоть до 21 века. — разрекламированная «водородная экономика» так и не получила широкого распространения.

Таких не так уж и много. Shutterstock

Еще в конце 2000-х годов большинство экспертов в области энергетики списали водород со счетов. С тех пор изменились две вещи.

Доступный водород может устранить основные препятствия на пути к устойчивой энергетике

Главное, что изменилось, — это глобальный переход на чистую энергию. Чтобы решить проблему изменения климата, мир фактически согласился полностью декарбонизировать энергетическую систему в течение столетия.Это вызвало интенсивное исследование инструментов, необходимых для создания системы с нулевым выбросом углерода.

Мы знаем, как производить электричество с нулевым выбросом углерода (возобновляемые источники, гидроэнергетика, атомная энергия), поэтому одним из ключевых шагов в декарбонизации является «электрификация всего» или, по крайней мере, как можно большего количества видов энергии.

Но широкомасштабная электрификация — непростая задача. Существует множество существующих приложений, работающих на горючем жидком топливе. Помимо практически всего транспорта, подумайте о миллионах и миллионах зданий по всему миру, отапливаемых нефтью или природным газом.

Значительная часть транспорта может быть электрифицирована, и все эти печи теоретически можно заменить электрическими альтернативами, такими как тепловые насосы, но сделать все это за оставшееся время для обезуглероживания — поистине монументальная задача.

Конечно, было бы неплохо выиграть время, если бы у нас было жидкое топливо с нулевым выбросом углерода, которое мы могли бы просто использовать в этих существующих системах, чтобы сократить выбросы от транспортных средств и приборов, которые мы уже используем. (Великобритания экспериментирует с отоплением домов водородом; Норвегия запретит любое использование мазута для отопления домов к 2020 году.)

Кроме того, если переменная возобновляемая энергия (солнце и ветер) должна обеспечивать большую часть или всю нашу энергию, нам понадобится какой-то способ хранить эту энергию, когда солнце и ветер не хватает. Нам потребуется не просто посекундное или почасовое хранение (которое вполне может обеспечить батареи), но и ежедневное, ежемесячное или ежегодное хранение (для которого батареи не подходят), чтобы гарантировать защиту от долговременных колебаний солнца и ветра. . Было бы неплохо, если бы мы могли хранить много резервной энергии в виде стабильного жидкого топлива.

Короче говоря, в наших планах по устойчивой энергетике есть дыра в форме водорода.

Второе, что изменилось, это то, что исследования, разработки и ранние рыночные испытания неуклонно снижали стоимость и повышали долговечность основных компонентов водородной технологии.

В общем, потребность в сочетании с инновациями может, наконец, означать, что под рукой есть рентабельные продукты. Вот почему «во всем мире наблюдается возрождение водородной активности», — говорит Адам Вебер, руководитель группы преобразования энергии в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Или, как недавно сказал Пьер-Этьен Франк, секретарь торговой группы Hydrogen Council, «2020-2030 годы будут для водорода такими же, как 1990-е годы для солнца и ветра».

Несмотря на все недавние инновации, Джонсон снова и снова обнаруживал, что каждый раз, когда он отказывался от стандартных компонентов и создавал свои собственные — практически каждый элемент в продуктах HyTech спроектирован и изготовлен по индивидуальному заказу, а сырье заказано через Интернет, — цена пошла вниз. Не знаю почему.”

Джонсон высокий, худощавый и светловолосый, заядлый творец и строитель, глаза которого загораются, когда он говорит о технике. После учебы в Тихоокеанском университете Сиэтла он провел первые 10 лет своей 20-летней карьеры в области сжатия видео. Но работа в Норвегии с Innovation Norway над хранением водородной энергии привела к тому, что у него возникла проблема с водородом. С тех пор он стал истинным верующим. «Ставка на водород в будущем — лучшее, что вы можете сделать», — говорит он.

«Если электролиз действительно настолько дешевле, это меняет правила игры»

Начинается с электролизера, который вытягивает водород из воды.Джонсон не смог найти такой дешевый, простой и эффективный, как он хотел, поэтому он построил свой собственный.

Электролизер HyTech (в данном случае присоединенный к стационарному дизель-генератору). HyTech Power

Ничего особенного, просто трубка, наполненная дистиллированной водой. Примерно в центре подвешена небольшая титановая пластина, покрытая специальной смесью электрокатализаторов, оптимизированных для разделения водорода и кислорода.Газы поднимаются с пластины непрерывным потоком пузырьков. Он полностью закрыт металлом, в нем нет движущихся частей, поэтому он чрезвычайно прочен и не требует значительного обслуживания.

В целом, по словам Джонсона, система «очень проста и бессмысленна». (Это тема, к которой он часто возвращается — предпочтение замкнутых, простых, полностью перерабатываемых систем.) Но благодаря эффективности электрокатализаторов, добавляет он, «очень точно, сколько энергии необходимо для производства необходимый водород.”

Джонсон может похвастаться тем, что его электролизер может производить водород примерно в три или четыре раза быстрее, чем электролизеры с аналогичной площадью основания, используя примерно треть электрического тока. Это представляет собой постепенное снижение затрат.

«Очевидно, я не могу проверить их экономику издалека, — сказал мне Джеймс Бреннер из Национального центра исследований водорода при Технологическом институте Флориды, — но если электролиз действительно намного дешевле, это меняет правила игры».

Теперь давайте посмотрим, что HyTech планирует с этим делать.

Модернизация. HyTech Power

Способ очистки дизельных двигателей для рынка, который остро нуждается в одном

Первый продукт, дебют которого запланирован на апрель, — ключ ко всему остальному.

Это называется «Система внутреннего сгорания» (ICA), модификация двигателей внутреннего сгорания, которая позволяет им существенно повысить топливную эффективность и уменьшить загрязнение воздуха. Это достигается путем добавления к топливу крошечных количеств газообразного водорода и кислорода непосредственно перед его сгоранием в цилиндрах двигателя.Смесь HHO придает интенсивность сгоранию, позволяя топливу сгорать более полно, производя больше энергии и меньше загрязнений.

Система ICA может технически работать с любым двигателем внутреннего сгорания, но для начала HyTech нацелена на самые грязные двигатели с самой быстрой окупаемостью, а именно на дизельные двигатели — в транспортных средствах, таких как грузовики, автофургоны, автобусы и вилочные погрузчики, а также большие стационарные дизельные генераторы, которые по-прежнему обеспечивают резервное (и даже основное) питание для миллионов людей во всем мире.

Все эти дизельные двигатели выделяют канцерогенный дым, содержащий твердые частицы (сажа) и оксиды азота (NOx), которые наносят вред здоровью человека. Штаты и города по всему миру борются с загрязнением воздуха дизельным топливом.

Но дизельные сажевые фильтры (DPF), которые задерживают частицы, дороги, требуют технического обслуживания и требуют частой замены. Жидкости для селективного каталитического восстановления (SCR), добавляемые в выхлопные газы для удаления NOx, сами по себе являются загрязнителями, и их необходимо часто менять.

Короче говоря, существует много дизельных двигателей, они очень грязные (ответственны за до 50 процентов загрязнения городского воздуха зимой), и многие люди тратят много денег, пытаясь их очистить. Это большой рынок.

Предложение

HyTech на этом рынке весьма примечательно: оно утверждает, что его ICA может повысить топливную экономичность дизельного двигателя на 20–30 процентов, уменьшить содержание твердых частиц на 85 процентов и сократить выбросы NOx на 50–90 процентов.Вместе с сажевым фильтром и некоторым количеством SCR он может дать дизельный двигатель, который соответствует официальным калифорнийским стандартам для автомобилей со «сверхнизким уровнем выбросов».

Стоимость преобразования грязного дизельного двигателя в относительно чистый: около 10 000 долларов на установку, которые, по оценке HyTech, окупятся за девять месяцев за счет сокращения расходов на топливо и техническое обслуживание.

Устройство помощи внутреннего сгорания (ICA) HyTech, установленное на большом дизельном двигателе.(Видите маленький ряд форсунок?) HyTech Power

HyTech — не первая и не единственная компания, разработавшая систему присадок HHO, но ничто на рынке не может сравниться с такими цифрами.

ICA достигает этой эффективности благодаря компьютеризированному контроллеру времени, который определяет и анализирует вращение коленчатого и распределительного валов, чтобы определить точное время и размер впрыска HHO. Предыдущие системы HHO более или менее заполняли двигатель HHO через воздухозаборник, но HyTech использует «впрыск через порт» с отдельным инжектором на впускном клапане каждого цилиндра, управляемым таймером.Каждый инжектор (размером примерно с человеческий волос) впрыскивает крошечные, точно отмеренные струи HHO в цилиндр именно тогда, когда это необходимо.

Такой уровень точности позволяет ICA использовать гораздо меньше водорода, чем его конкуренты, гораздо более эффективно. Небольшой бортовой электролизер производит более чем достаточно.

Это смелые заявления, но пока они остаются верными. ICA был включен в список EPA как кандидат на технологию сокращения выбросов; Уважаемая испытательная фирма SGS обнаружила, что ICA повысила топливную экономичность грузовика FedEx на 27.4 процента; FedEx в настоящее время проводит дорожные испытания ICA на автопарке грузовиков и обнаруживает, что экономия топлива на 20–30 процентов выше, а затраты на техническое обслуживание сажевого фильтра значительно снизились. При стороннем тестировании и при ограниченных местных продажах в районе Редмонда ICA выполнила свои обещания.

Если он сможет сделать это в масштабе HyTech — надежно повысить экономию топлива на треть и снизить загрязнение почти до нуля с окупаемостью за девять месяцев — возможностей не будет конца. По оценкам компании, рынок очистных работ, включая портовые грузовики, грузовые суда, рефрижераторы, грузовики дальнего следования, автобусы, генераторы и все другие грязные дизельные двигатели, составляет 100 миллиардов долларов.

ICA не полагается на новую инфраструктуру или субсидии. Это способ выйти на большой рынок, немедленно сократить выбросы и накопить финансирование для долгосрочных усилий по полной замене дизельного топлива.

HyTech также хочет очистить существующие автомобили

Позже в этом году HyTech представит свою вторую линейку продуктов: модифицированные водородом автомобили с ДВС. Проще говоря, потребуется любой двигатель, который работает на дизельном топливе, бензине, пропане или СПГ, и переключить его на 100-процентный водород.(В настоящее время компания находится в процессе сертификации своего модифицированного продукта Калифорнийским советом по воздушным ресурсам как имеющий нулевой уровень выбросов.) Это позволит любому водителю получить автомобиль с нулевым уровнем выбросов по значительно меньшей цене, чем стоимость покупки нового электрического или электрического автомобиля. автомобиль на водородных топливных элементах.

Джонсон признает, что, если бы он проектировал автомобиль с нуля, он бы спроектировал его на основе водородного топливного элемента без сгорания, но «мы не заинтересованы в том, чтобы становиться автомобильной компанией», — говорит он.Вместо этого HyTech хочет очистить существующие автомобили.

Не каждый может позволить себе автомобиль Toyota Mirai на водородных топливных элементах (от 58 365 долларов). Shutterstock

Для такого применения с чистым водородом (в отличие от смешанного HHO) электролизер немного отличается. Водород проходит через мембрану, которая лишает его остатков кислорода или азота, оставляя чистый водород для сгорания транспортного средства.(Это делает электролизер протонообменной мембраной, или PEM, электролизером, вариант, знакомый любителям водорода.)

По обыкновению, Джонсон разработал свою собственную мембрану, смешав сырье, чтобы создать что-то более эффективное и дешевое, чем другие продукты PEM на рынке.

Есть еще одно отличие, которое представляет собой еще одну из основных технологических разработок Джонсона.

Потребляемая мощность двигателя транспортного средства варьируется и может быстро увеличиваться и уменьшаться, поэтому системе необходимо хранить немного водорода в качестве буфера на случай, если он потребляет больше, чем может произвести электролизер.

Обычные автомобили на водородных топливных элементах (например, Toyota Mirai) хранят водород в виде сильно сжатого газа при давлении около 8000 фунтов на квадратный дюйм. Но со сжатым газом возникают самые разные проблемы. Для сжатия газа требуется много энергии, для этого требуется собственная специализированная инфраструктура, заправочные станции для сжатого газа чрезвычайно дороги в строительстве, а сжатый водород, ну, взрывоопасен, поэтому каждый полный его бак — потенциальная бомба.

Джонсон не хочет иметь с этим ничего общего. Итак, он пошел другим путем.Его система хранит водород, слабо связанный с металлами в виде «гидридов», в инертном жидком растворе без давления (~ 200 фунтов на квадратный дюйм).

Проблема с гидридами была двоякой: а) создание связи, достаточно слабой, чтобы ее можно было разорвать без излишней энергии, когда необходимо высвободить водород, и б) увеличение плотности энергии образующейся жидкости. (На сегодняшний день большинство гидридных жидкостей обладают меньшей энергетической плотностью, чем сжатый водород, и намного меньше ископаемого топлива. Они весят слишком много для той энергии, которую они производят.)

Джонсон думает, что решил обе проблемы. Он не раскрывает подробностей используемых гидридов, но у него достаточно высокое соотношение мощности к весу, чтобы побить литий-ионные батареи (которые очень тяжелые), и достаточно слабую гидридную связь, чтобы ее можно было разорвать, используя только перенаправляем отходящее тепло от двигателя (не требуется дополнительного тепла или давления).

Более того, он работает с командой над наноматериалами для гидридов и ожидает «огромного скачка» в соотношении мощности к весу в ближайшие годы; в конечном итоге, по его словам, он хочет, чтобы плотность энергии была конкурентоспособной с ископаемым топливом.

Эффективный электролиз плюс эффективное хранение гидридов означает, что в результате модернизации Hy-Tech будет создан автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEV) со средней дальностью полета 300 миль, сопоставимый с электромобилями высокого класса, но способный работать с любым существующим транспортным средством. Когда я посетил завод HyTech в Редмонде, Джонсон отвез меня на обед в гигантском пикапе Ford Raptor, работающем на водороде.

Ford Raptor, работающий на чистом водороде. HyTech Power

Есть два способа «заправить» автомобиль.Медленный способ — включить его на ночь, чтобы электролизер мог заполнить бак. Самый быстрый способ — заполнить его раствором гидрида, который можно получить на месте, дома или на заправочной станции, не имея ничего, кроме электролизера, немного дистиллированной воды и резервуара.

Пока не существует инфраструктуры, поддерживающей такую ​​быструю заправку, но это не похоже на сжатый водород под высоким давлением, подчеркивает Джонсон. Это не опасно; не производит токсичных побочных продуктов; он не требует множества государственных правил безопасности и правоприменения; Теоретически, на заправочных станциях «мама и папа» можно было бы довольно дешево запустить заправку.

Несколько утопическое видение Джонсона состоит в том, что в конечном итоге в каждом доме и на предприятии будет электролизер и полный бак связанного водорода, который можно будет использовать либо для выработки электроэнергии для здания (подробнее об этом в третьем этапе), либо для топлива водородных транспортных средств.

По словам Джонсона, цель — оставить двигатели внутреннего сгорания, но «это все равно, что бросить курить — каждый хочет остыть индейки». Этого просто не произойдет «. Модернизация существующих транспортных средств за небольшую часть стоимости нового транспортного средства с нулевым уровнем выбросов позволит компании быстро начать сокращение транспортных выбросов.

Святой Грааль HyTech: долгосрочное и доступное хранилище энергии

Наконец, получив финансирование и капитализацию за счет продуктов для модернизации, HyTech приступит к производству аккумуляторов энергии. Его масштабируемое хранилище энергии (SES) предназначено для конкуренции с большими батареями, такими как Powerwall от Tesla, либо в качестве локального хранилища для домов и предприятий, либо в качестве хранилища в масштабе сети, подключенного к крупным солнечным и ветряным электростанциям.

Идея хранения водородной энергии заключается в том, что когда-нибудь скоро будут регулярные периоды, когда ветер и солнце вырабатывают электроэнергию, значительно превышающую спрос.Эти излишки энергии будут стоить очень дешево — по сути, мы будем искать способы не тратить их зря.

Одной из набирающих популярность идеей является «преобразование энергии в газ», то есть преобразование этой избыточной энергии в водород и его хранение. «Водород — это, вероятно, самое простое, что вы можете сделать при низких ценах на электроэнергию», — говорит Вебер.

Часть этого водорода можно закачать в существующие газопроводы, что снизит углеродоемкость газа. Некоторые из них могут быть объединены с диоксидом углерода для создания другого жидкого топлива.И некоторые из них можно было бы напрямую преобразовать обратно в энергию с помощью топливных элементов. «Стационарное хранение — это прекрасных потенциальных возможностей для водородных топливных элементов», — говорит Леви Томпсон, директор Лаборатории технологий водородной энергетики Мичиганского университета.

Проблема, опять же, заключалась в том, что сквозная эффективность накопления водородной энергии на основе электролиза обычно была меньше половины, чем достигается литий-ионной батареей.

Плохой рисунок, иллюстрирующий накопление водородной энергии. Shutterstock

И снова Джонсон думает, что сломал его.

Вот как работает система SES HyTech: энергия поступает (в идеале от солнечных панелей или ветряных турбин) для запуска электролизера. Произведенный водород либо поступает в топливный элемент (да, Джонсон построил свой собственный), либо связывается в виде гидридов и хранится в резервуаре. Когда требуется энергия, гидридные связи разрываются с использованием отработанного тепла системы, высвобождая больше водорода для топливного элемента.

Избегая сжатия и обнаружив, что гидридная связь достаточно слабая, чтобы ее можно было разорвать отходящим теплом, Джонсон заметно повысил эффективность.Он еще больше повысил эффективность с помощью другой умной техники. В большинстве хранилищ водорода используются огромные электролизеры и топливные элементы, которые не могут точно масштабировать производство энергии в соответствии с потребностями. Джонсон разбил свою систему на модули: она содержит стопки электролизеров и топливных элементов меньшего размера, которые можно запускать по одному по мере роста спроса. «Глупо просто, — говорит он с улыбкой.

Внешне SES работает как большая батарея, но есть отличия и компромиссы.

С другой стороны, несмотря на то, что он значительно увеличил сквозную эффективность по сравнению с водородными конкурентами, Джонсон все еще не совсем соответствовал эффективности батарей.Он говорит, что на данный момент эффективность SES составляет около 80 процентов. По крайней мере, когда они новые, традиционные свинцово-кислотные батареи составляют около 90 процентов, а литий-ионные батареи — около 98 процентов или выше, хотя все батареи со временем изнашиваются. (Джонсон ожидает, что эффективность SES будет продолжать расти по мере разработки новых материалов для своих электролизеров и топливных элементов — он думает, что 85 или 90 процентов находятся в пределах досягаемости.)

С другой стороны, SES прослужит намного дольше, чем батарея, пройдя более 10 000 циклов зарядки и разрядки, по сравнению с примерно 1000 для литий-ионной батареи.Это приблизит срок ее службы к сроку службы типичной солнечной панели, что позволит более удобно соединять эти две батареи.

В отличие от аккумуляторов, которые нельзя полностью зарядить или разрядить из-за опасения ухудшения характеристик, SES может перейти от 100-процентной емкости до 0 и обратно без повреждений.

И когда он действительно изнашивается, в отличие от батарей, SES полностью подлежит переработке. Металлы плавятся, перетираются и используются повторно; вода перегоняется.

Лучше всего то, что раствор гидрида может храниться неограниченное время без обслуживания или потери потенциала.Его не нужно сжимать или охлаждать, как сжатый водород. Он не разлагается, как электрохимический заряд аккумуляторов. Гидриды можно хранить столько, сколько необходимо.

Это делает SES фантастическим кандидатом на долгосрочное хранение энергии, святым Граалем по-настоящему устойчивой энергетической системы. Если бы электричество было дешевым и достаточно обильным, в принципе не было бы ограничений на количество резервной энергии, которую можно было бы накапливать.

Это также делает SES идеально подходящим для распределенной энергетической системы.Без движущихся частей, надежных компонентов, устойчивых к экстремальным температурам и погодным условиям, и возможности вторичной переработки на 98 процентов, это был бы чрезвычайно простой способ для любого, у кого есть несколько солнечных панелей, получить степень энергетической независимости. Это может быть особенным благом для удаленных, автономных сообществ.

Жутко горящий электролизер. HyTech Power

Какой бы ни была судьба HyTech, потребность в водороде вызовет инновации

Распределенная безуглеродная водородная экономика — это то, о чем размышляет Джонсон, когда дает себе время подумать.Но в наши дни перед нами стоит более неотложная задача: запустить HyTech.

Ни один из экспертов по водороду, с которыми я разговаривал, не обнаружил каких-либо особых тревожных сигналов в технических заявлениях HyTech, но все они проявили с трудом завоеванный скептицизм «шоу-не-говори». В водородном мире произошло много новых событий. История усеяна трупами многообещающих стартапов, которые не смогли воплотить свои инновации в жизнеспособные рыночные продукты.

Тем не менее, Hytech, похоже, занимает хорошие позиции, имея надежную команду руководителей, некоторое раннее финансирование, положительные результаты испытаний, партнерские отношения с такими крупными игроками, как FedEx и Caterpillar, а также целевой рынок с продемонстрированным спросом на ее продукцию.Скорее всего, через год или два мы узнаем, справились ли они с этим.

В любом случае, по мере того, как стремление к устойчивой энергетической системе набирает силу, потребность в водороде будет только расти. Нам нужно топливо с нулевым выбросом углерода и нам нужно долгосрочное хранение энергии. Водород подходит обоим счетам.

Когда есть большая социальная потребность и деньги, люди становятся умными. Если Джонсон сможет добиться нескольких поэтапных достижений в водородной технологии, совершая покупки в Интернете и возясь в своей лаборатории, скоро другие сделают то же самое.По мере выхода продуктов на рынок масштабирование приведет к снижению затрат, как это произошло с ветряной и солнечной энергией.

Во многих отношениях доступный водород — это последняя часть головоломки устойчивой энергетики, энергоноситель, который может заполнить трещины в системе, работающей в основном на ветровой и солнечной энергии. За прошедшие годы его несколько раз оставляли умирать, но, поскольку мир серьезно относится к декарбонизации, водород может, наконец, выиграть свой день на солнце.

Возможно, исследователи нашли лучший способ получения водорода для автомобилей.

Хотя электромобили прошли долгий путь — даже Ford производит электрические грузовики — они все еще далеки от совершенства.Одна из самых больших жалоб заключается в том, что батареи необходимо подключать и перезаряжать, и даже когда они заряжены, их диапазон ограничен. Электромобили на топливных элементах предлагают альтернативу. Их «аккумулятор» — фактически водородно-кислородный топливный элемент — можно пополнять газообразным водородом. На сегодняшний день самая большая проблема заключается в том, что производство водорода не является экологически чистым процессом. Нам также понадобится инфраструктура для заправки водородом. Но новая технология UMass Lowell может устранить эти препятствия.

Ученые создали способ производства водорода по запросу с использованием воды, углекислого газа и кобальта. Теоретически он попадет прямо в топливный элемент, где он будет смешиваться с кислородом для выработки электроэнергии и воды. Затем электричество питало двигатель электромобиля, аккумуляторную батарею и фары.

Согласно УМассу Лоуэллу, производимый водород имеет чистоту 95 процентов, и автомобили не нужно заправлять на заправочной станции. Вместо этого владельцы заменили бы канистры с металлическим кобальтом, который питал бы водородный генератор.Поскольку технология может производить водород при низких температурах и давлениях, а излишки не хранятся в автомобиле, она сводит к минимуму риск возгорания или взрыва. Хотя это еще не практическое применение, оно может помочь сделать FCEV жизнеспособным вариантом.

Исследователи из Университета Массачусетса Лоуэлла открыли эффективный способ производства водорода для электромобилей https://t.co/ON6CrK6R9Q #electriccars #umasslowell #greenhousegases #renewabletech pic.twitter.com/e3gUWOIXeM

— UMass Lowell (@UMassLowell) 7 марта 2019 г.

ОБНОВЛЕНИЕ, 22.03.2019, 14:30 по восточноевропейскому времени: Эта история была обновлена, чтобы отразить, что автомобили не будут заправляться на заправочной станции.Вы можете прочитать заявление председателя химического факультета Университета Массачусетса Лоуэлла профессора Дэвида Райана ниже:

Разработанная нами система не требует дозаправки автомобиля на водородной заправочной станции. Наша технология будет использовать канистры с металлическим кобальтом в качестве топлива для работы водородного генератора. Канистры будут заменены при израсходовании. На самом деле еще рано говорить, но обычно цель состоит в том, чтобы проехать от 350 до 400 миль для большинства автомобилей до «дозаправки».»

Как создать топливо будущего дома «Безумная наука :: WonderHowTo

Как помнят некоторые из вас, читатели Mad Science, мы недавно рассказали о разделении воды на водород и кислород с помощью электролиза. Пропускание тока через воду может разорвать ее на части, но мы также можем рекомбинировать кислород и водород, чтобы произвести электричество! Это принцип, лежащий в основе транспортных средств, работающих на двигателях водородных топливных элементов.

Сегодня мы производим электрическое топливо. Самое приятное то, что единственный выхлоп — это чистая вода!

Материалы

• Банка с соленой водой
• Винты (2)
• Кусочки проволоки (2)
• Батарея 9 В
• Мультиметр

Шаг 1 Оберните электроды

На головку каждого винта оберните кусочек зачищенного провода для электрического контакта.Вы можете спаять эти соединения, если планируете длительные эксперименты, но сейчас можно обернуть.

Поместите винты в емкость с соленой водой так, чтобы провода не были погружены в воду.

Шаг 2 Запуск элемента

Чтобы запустить водородный топливный элемент, возьмите концы винтовых проводов и подключите их к выводам 9-вольтовой батареи. Вы можете использовать любой источник постоянного тока, но обычно это 9 вольт.

Изображение helcohi

Вы начнете видеть и слышать пузырьки, образующиеся на винтах и ​​поднимающиеся к поверхности воды.Один винт собирает водород, а другой — кислород. Поскольку в молекуле воды вдвое больше водорода, чем кислорода, водородный собирающий электрод будет производить гораздо больше газа.

Шаг 3 Энергия урожая

Вот где мы поворачиваем столы. Хотя большая часть газов пузырится, некоторые застревают в выступах винтов. Эти захваченные газы могут быть повторно объединены в воду. При рекомбинации этот процесс будет генерировать электричество!

Снимите блок питания и наденьте щупы мультиметра на винты.Вы должны увидеть небольшой регистр напряжения. По мере того, как газ израсходован, напряжение, исходящее от сосуда, будет уменьшаться.

Какие изменения вы можете внести в эту конструкцию, чтобы поднять полезное напряжение? Поделитесь своими мыслями на форуме или в комментариях ниже. Не забудьте выложить фотографии и видео на пробковую доску, если попробуете сами! Если вы где-то застряли или просто хотите задать вопрос, задайте его в комментариях или напишите мне напрямую.

Хотите освоить Microsoft Excel и вывести свои перспективы работы на дому на новый уровень? Начните свою карьеру с помощью нашего пакета обучения Microsoft Excel Premium A-to-Z из нового магазина гаджетов и получите пожизненный доступ к более чем 40 часам инструкций от базового до расширенного по функциям, формулам, инструментам и многому другому.

Купить сейчас (97% скидка)>

Другие выгодные предложения, которые стоит проверить:

Этот новый дешевый метод производства водорода может (возможно?) Производить топливо

Если вы хотите купить электромобиль в Великобритании .С., вариантов больше десятка. Если вы хотите купить автомобиль на топливных элементах, их три: Honda Clarity, Toyota Mirai и Hyundai ix35. Но впереди еще больше — и новое открытие в лаборатории может помочь рынку быстрее расширяться.

Автомобили на топливных элементах работают на водороде, и производство водорода является сложной задачей. Традиционный метод производства водорода (который сейчас обычно продается производителям для всего, от очистки металла до производства маргарина) начинается с ископаемого топлива. Если вы нагреете уголь или природный газ, вы получите водород, но вы также получите углеродное загрязнение.В качестве альтернативы можно получить водород из воды путем расщепления молекул воды с помощью электролиза. Это чистый процесс, который обеспечивает нулевое загрязнение, но при этом требует много энергии, а получаемый водород стоит дорого. Катализаторы, такие как платина, могут ускорить реакцию и помочь сэкономить энергию, но они также дороги.

«В конечном итоге стоимость доставки водорода в розницу является большой проблемой». [Иллюстрация: sky_max / iStock] Физики из Хьюстонского университета обнаружили способ сделать этот процесс более эффективным с небольшими затратами.Их катализатор, сделанный из дешевого никеля вместо дорогих драгоценных металлов, используемых сегодня, помогает одной части реакции протекать легче. И если оно в конечном итоге будет использовано в производстве, это может означать водородное топливо, которое стоит значительно дешевле, чем сегодня.

Стоимость топлива является одним из препятствий для технологии. «В конечном счете, стоимость доставки водорода в розницу — большая проблема, — говорит Марк Дювалл, директор по использованию энергии в Исследовательском институте электроэнергетики, некоммерческой организации, которая подробно изучила технологию.Средняя стоимость цистерны в апреле 2017 года — по одной небольшой выборке заправочных станций — составляла 14,10 долларов за галлон бензинового эквивалента.

Эта стоимость для потребителей также зависит от факторов помимо производства, таких как сжатие газа, его транспортировка и стоимость строительства новых станций. Но если новый катализатор будет использоваться для производства водорода из воды, после доработки, это может в конечном итоге помочь снизить затраты на его производство до уровня производства водорода из ископаемого топлива и снизить общие затраты на насос.

«По сути, весь этот процесс связан с поиском новых дешевых катализаторов для экологически безопасного процесса производства водорода из воды», — говорит Чжифэн Рен, профессор физики Хьюстонского университета и один из авторов новой статьи о технологии.

В целом автомобили на топливных элементах менее эффективны, чем электромобили на аккумуляторных батареях. Если вы используете солнечную панель для зарядки аккумулятора, процесс будет примерно на 85% эффективнее. Использование топливного элемента требует большего количества шагов — электролиза, сжатия газа и затем подачи водорода в топливный элемент — каждый из которых делает систему менее эффективной (примерно 30-40%) и более дорогой.Новый способ производства топлива может помочь, хотя другие аспекты технологии также должны быть улучшены, чтобы топливные элементы были конкурентоспособными с электромобилями.

«Новые катализаторы — это здорово, — говорит Салли Бенсон, содиректор Энергетического института Прекурта при Стэнфордском университете. «Но если вы посмотрите на малотоннажный транспорт, я бы серьезно скептически отнесся к тому, что этого будет достаточно, чтобы сделать автомобили на топливных элементах более желательными, чем электромобили на аккумуляторах».

Необходимо преодолеть несколько проблем, включая стоимость производства самих автомобилей.«Мне трудно понять, как автомобили на водородных топливных элементах становятся менее дорогими, чем электромобили, учитывая, что транспортное средство на топливных элементах в основном является электромобилем», — говорит Дюваль. «За исключением того, что вместо большой батареи у него есть небольшая батарея большой мощности, как в гибридном автомобиле. Это электромобиль с некоторыми дополнительными сложностями ».

Еще предстоит построить инфраструктуру для автомобилей на топливных элементах. Если у вас есть автомобиль на топливных элементах в районе залива или в Лос-Анджелесе, есть места для заправки, но в других местах такие станции встречаются редко.

[Иллюстрация: sky_max / iStock] Тем не менее, Дюваль считает, что автомобили на топливных элементах могут появиться в большем масштабе (как и производители автомобилей, многие из которых разрабатывают новые модели топливных элементов наряду с электромобилями, хотя Илон Маск, в частности, назвал их «невероятно глупыми».) «Я считаю, что обе технологии в конечном итоге осуществимы», — говорит Дюваль. «Я просто считаю, что они находятся на разных стадиях развития».

У автомобилей на топливных элементах есть одно существенное преимущество: их заправка происходит быстро, в отличие от зарядки электромобиля.Для заправки Toyota Mirai с четвертьбаком водорода требуется чуть больше шести минут, что немного дольше, чем у бензобака. Эта технология может быть особенно привлекательной для грузовиков, путешествующих на большие расстояния, когда зарядка аккумуляторов нецелесообразна.

«Я с осторожным оптимизмом смотрю на то, что технические проблемы будут решены», — говорит Дюваль.