ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА МЕТОДОМ НИЗКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА МЕТОДОМ НИЗКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА

Кучерявый Александр Игоревич

студент, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций,

РФ, г. Санкт-Петербург

HYDROGEN PRODUCTION BY LOW-VOLTAGE ELECTROLYSIS

Alexandr Kucheryavyi

Student, St. Petersburg State University of Telecommunications,

Russia, Blagoveshchensk

АННОТАЦИЯ

Целью проведения выполненных работ, было непрерывное получение стабильного объема гремучего газа посредством низковольтного электролиза постоянным током умеренной плотности при температурах до 70. Смесь можно использовать, к примеру, в двигателе внутреннего сгорания, для питания топливного элемента и т.п. Относительная простота изготовления и доступность подручных материалов сделали возможным изготовление установки и проведение первых опытов «в домашних условиях», без привлечения производственных мощностей и значительных затрат на опытно-конструкторские разработки. В работе кратко изложена теория электролиза, устройство и работа изготовленной экспериментальной установки для получения водорода.

ABSTRACT

The purpose of the work was continuous receiving a fixed volume oxygen-hydrogen mixture by low voltage electrolysis of moderate density at temperatures up to 70 ℃. The mixture can be used, for example, in an internal combustion engine, to power a fuel cell, and the like. The relative ease of manufacture and the availability of scrap materials made it possible to manufacture the installation and carry out the first experiments "at home", without involving production facilities and significant costs for development. The paper briefly outlines the theory of electrolysis, the design and operation of the manufactured experimental setup for hydrogen production.

Ключевые слова: водородная энергетика, получение водорода, низковольтный электролиз.

Keywords: hydrogen energy, hydrogen production, low-voltage electrolysis.

Введение. Получение водорода – это важная задача для самых разных областей науки и техники. Автор, заинтересовавшийся проблемой получения водорода в условиях примитивной лаборатории, поставил цель получить заметное количество водорода без использования сложного и дорогого оборудования. В рамках поставленной цели методом получения водорода был выбрал электролиз. В работе описана установка, полностью справившаяся с изначально поставленными задачами. Также приводятся первоначальные результаты измерений и делаются первые оценки эффективности использования подобного типа оборудования.

Теория низковольтного электролиза при постоянном токе. При прохождении тока через некоторые электролиты происходит разложение воды на составные части – водород и кислород, которые выделяются на пластинах, соединенных соответственно с отрицательным и положительным полюсом батареи. В данной работе использовался раствор пищевой соды , являющийся раствором щелочного типа.

Проводимость электролитов является ионной, т.е. обусловлена движением в них положительных и отрицательных ионов, которые образуются из нейтральной молекулы путем диссоциации её на две части, заряженные равными и противоположными зарядами. Эти ионы способны перемещаться независимо друг от друга [1].

Рисунок 1. а) цепь разомкнута; б) цепь замкнута, через электролит идет ионный ток

Движение ионов иллюстрируются рисунком 1. Кружками со знаками «+» и «-» между электродами схематически изображены положительные и отрицательные ионы растворенного вещества. Пока между электродами А и К не создано поле, ионы совершают только беспорядочное тепловое движение, как и все остальные молекулы раствора. В каждом направлении за единицу времени протекает одинаковый положительный и отрицательный заряд, т.е. нет электрического тока – переноса заряда в определенном направлении. При наложении разности потенциалов на электроды А (анод) и К (катод), когда внутри электролита возникает электрическое поле, на это беспорядочное движение накладывается упорядоченное движение в противоположные стороны ионов различных знаков: отрицательных – к аноду А, положительных – катоду К.

При соприкосновении с катодом положительные ионы получают недостающие им электроны и выделяются в виде нейтральных атомов, а взамен электронов, нейтрализовавших ионы, новые электроны переходят от батареи к катоду. Точно так же, отрицательные ионы при соприкосновении с анодом отдают свои избыточные электроны, превращаясь в нейтральные атомы; электроны же уходят по металлическим проводам в батарею. Таким образом, ток в электролите обусловлен движущимися ионами, а на электродах происходит нейтрализация ионов и выделение их в виде нейтральных атомов (или молекул).

При электролизе раствора пищевой соды на катоде выделяется водород, на аноде – кислород. Недостаток ионов у катода восполняется за счёт диссоциации молекул воды с образованием атомов водорода и ионов , и последующей рекомбинацией атомарного водорода в молекулы:

,

где Me – металл, из которого изготовлен катод.

Выделение на аноде кислорода происходит в результате разряда гидроксильных ионов. В щелочных растворах, при умеренных плотностях тока, ионы на аноде разряжаются по формуле:

Часть электрической энергии, затраченной в процессе электролиза, используется на разложение воды на кислород и водород, остальная часть энергии выделяется в виде тепла.

Тепло, выделяющееся в процессе электролиза, отводится из ячейки в основном за счет рассеивания тепла в раствор. При увеличении температуры электролита увеличивается сила тока, протекающая через него, поэтому следует следить, как за температурой установки, так и за величиной протекающего тока, пока не будет достигнут тепловой баланс установки [2].

Описание установки. На рисунке 2 схематически изображен комплекс использованного оборудования.

Рисунок 2. Схематическое изображение установки

Источником постоянного напряжения был выбран компьютерный блок питания. Для питания электролизера используется пятивольтовая линия источника питания, способная выдать до 22 ампер. Дополнительным плюсом использования готового блока является встроенная защита от короткого замыкания.

На рисунке 3 показаны электролизер и соединенный с ним баблер. Основой данного самодельного электролизера стали отрезки 50 и 30 миллиметровых труб из нержавеющей стали, служащие в качестве катода и анода. Для изоляции труб была использована распиленная на две части водопроводная муфта из пластика диаметром 50мм и соответствующие заглушки. Для обеспечения герметичности были использованы разрезанные на две части цанговые фитинги и трубки для тормозной жидкости из тормозной системы грузовых автомобилей.

Рисунок 3. Фотография электролизера и баблера

Использование баблера необходимо по нескольким причинам. Если уровень электролита поднимется выше положенной отметки, то, во-первых, электролит, попадая в трубку, начнет заполнять собой гидрозатвор, что крайне нежелательно. Во-вторых, электролит будет вытекать из электролизера, после чего его нужно будет доливать. В-третьих, электролит будет перекрывать непрерывную подачу газа, что также крайне нежелательно.

В качестве гидрозатвора в данной установке используется модифицированный медицинский шприц на 50 миллилитров (рисунок 4). В нем укорочен шток таким образом, чтобы шприц мог вертикально стоять, опираясь на собственный корпус. Сверху проделано дополнительное отверстие, через которое проходит трубка до уплотняющего кольца. Благодаря наличию поршня можно регулировать объем гидрозатвора и уровень воды в нем.

Рисунок 4. Фотография гидрозатвора

Характеристики установки, полученные в ходе испытаний. Объем выделяемого газа был определен с помощью измерения времени необходимого на вытеснение жидкости из стеклянного сосуда заранее известного объема. На рисунке 5 приведена схема измерений объема с использованием данного метода.

Рисунок 5. Вытеснение воды газом

В таблице 1 представлены результаты измерений скорости выделения газа от времени работы установки.

Таблица 1.

Скорость выделения газа в зависимости от времени работы установки

Из таблицы видно, что время выхода установки на стационарный режим составляет около 10 минут.

Мощность, необходимая для выделения одного миллилитра газа, была измерена с помощью вольтметра и амперметра, включенных в цепь по схеме, представленной на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема подключения электролизера для измерения мощности

Для этого, после выхода установки на рабочий режим, методом вытеснения воды из стеклянной бутылки был определен объем газа V=500мл, выделившегося за время t=265c. Каждые 10 секунд снимались данные с амперметра и вольтметра на основе которых была вычислена средняя мощность потребления электроэнергии электролизером:

,

где: N – число измерений.

Поделив среднюю мощность на объем выделенного газа, получаем мощность необходимую для выделения одного миллилитра газа.

Выразим массу из уравнения Клапейрона-Менделеева [3]:

Процесс происходит при атмосферном давлении P=100 КПа и комнатной температуре Т=300К. Молярная масса водорода 2г/моль.

В электролизере не реализовано разделение газов, поэтому в полученном газе присутствует, как водород, так и кислород. Число молекул водорода, выделяющихся в электролизере, в 2 раза больше числа молекул кислорода. Согласно закону Авогадро, объемы газов будут относиться, как отношение числа их молекул [4], поэтому объём водорода, равен двум третям от общего объёма выделяющегося газа.

Подставив все значения в формулу, получим массу водорода равную m= кг (для 500 миллиметрового объема смеси кислорода и водорода)

Если весь выделившийся водород сжечь в выделившемся кислороде, то с учетом теплоты сгорания водорода q=140 МДж/кг, получим для теоретического тепловыделения :

Отнеся это значение к энергии, затраченной на выделение гремучей смеси из раствора электролита:

,

получим максимально возможный условный КПД процесса электролиза:

Следует отметить, что вычисления, приведенные выше, весьма условны в силу того, что на реальный КПД влияет множество факторов, в частности – устройство двигателя, а экспериментальная установка никак не оптимизировалась на предмет повышения выхода водорода.

Заключение. В ходе проделанной работы была построена установка для электролитического получения водорода из раствора пищевой соды методом низковольтного электролиза, и был проведен ряд измерений. Эксперименты показали, что получение гремучей смеси при помощи простейшей установки, собранной из подручных средств, возможно. Установка показала положительный баланс по затратам энергии на получение и ее предельному значению от сжигания полученного водорода, что говорит о перспективности метода и необходимости продолжения экспериментов.

Список литературы:

1. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Т.2. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1985. 479 с.
2. Якименко Л.М. Электролиз воды. М.: Химия, 1970. 264 с.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика Том II. М.: Наука, 1990. 591 с.
4. Савельев И.В. Курс общей физики, том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. М.: Наука, 1970. 508 с.