Печь с высоким КПД своими руками: харьковский рационализатор предложил использовать водяной пар (видео). Создан дешевый катализатор для получения водорода из воды Видео: Топливная ячейка Стенли Мейера

МОСКВА, 11 мая - РИА Новости. Ученые показали, что никель и бор, дешевые и доступные элементы, можно применять для получения новых катализаторов разложения воды на кислород и водород, это открытие может найти применение в экологически чистой энергетике будущего, сообщается в статье исследователей, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

До сих пор наиболее эффективным среди таких катализаторов электролиза воды (разложения на кислород и водород с помощью электричества) считается платина - дорогой и редкий металл, запасы которого на планете очень ограничены, в связи с чем многие научные группы ищут ему замену.

Ранее авторы новой статьи, группа Даниэля Носера (Daniel Nocera) из Массачусетского технологического института в США, уже показывали применимость для этих целей соединений кобальта - довольно распространенного и доступного металла. Чуть менее двух недель назад в прессе появилось сообщение о получении эффективного катализатора разложения воды на основе молибдена. Тем не менее, ученые продолжают поиски новых соединений, так как для коммерческого применения подобные катализаторы должны быть не только дешевы, но и на порядки более эффективны, чем их существующие прототипы.

В своей новой работе ученые из группы Носера описывают каталитическую систему, которая представляет собой соединение на основе элементов никеля и бора. Он может быть нанесено в виде тонкой пленки на любую поверхность с помощью электричества. На получающемся таким образом электроде, опущенном в водный раствор соединений бора (электролит), при приложении электрического напряжения менее, чем в два Вольта происходит реакция разложения воды с выделением кислорода. При этом на противоположном электроде происходит реакция с выделением чистого водорода.

Достоинство нового катализатора состоит в том, что он может быть получен из широко распространенных и дешевых элементов. Кроме того, он обладает хорошими рабочими характеристиками, которые позволяют надеяться на то, что подобные каталитические системы в будущем найдут коммерческое применение.

Для этого ученым необходимо увеличить мощность подобных катализаторов, "научить" их работать на обычной воде без применения дополнительных химических компонентов в качестве электролитов, а также для максимальной эффективности совместить в едином устройстве с солнечными элементами.

В такой энергетической установке избыток электричества, вырабатываемый в светлое время суток, может быть преобразован в водород и накоплен для использования в темное время суток. Эта концепция подразумевает полный цикл генерации и использования энергии малыми хозяйствами, что очень удобно и намного более эффективно, нежели централизованное получение энергии на электростанциях и дальнейшее ее распределение по электросетям.

Электролиз – химико-физическое явление по разложению веществ на компоненты посредством электротока, которое широко применяется в производственных целях. На основе этой реакции изготавливаются агрегаты для получения, например, хлора или цветных металлов.

Постоянный рост цен на энергетические ресурсы сделал популярными электролизные установки бытового назначения. Что представляют собой такие конструкции, и как их изготовить дома?

Общая информация об электролизере

Электролизная установка – устройство для электролиза, требующее внешний энергоисточник, конструктивно состоящее из нескольких электродов, которые помещены в заполненную электролитом емкость. Также такая установка может называться устройством для расщепления воды.

В подобных агрегатах основным техническим параметром является производительность, которая означает объем вырабатываемого водорода за час и измеряется в м³/ч. Стационарные агрегаты несут этот параметр в наименовании модели, например, мембранная установка СЭУ-40 вырабатывает за час 40 куб. м водорода.

Прочие характеристики таких устройств полностью зависят от целевого назначения и вида установок. Например, при осуществлении электролиза воды КПД агрегата зависит от нижеследующих параметров:

Уровень наименьшего электродного потенциала (электронапряжения). Для нормального функционирования агрегата эта характеристика должна находиться в диапазоне 1,8-2 В на одну пластину. Если источник электропитания имеет напряжение в 14 В, то емкость электролизера с электролитным раствором имеет смысл разделить листами на 7 ячеек. Подобная установка называется сухим электролизером. Меньшее значение не запустит электролиз, а большее – сильно увеличит расход энергии;

Чем меньше будет расстояние между пластиночными компонентами, тем меньше будет сопротивление, что при прохождении большого тока приведет к увеличению выработки газового вещества;
Площадь поверхности пластин напрямую оказывает влияние на производительность;
Тепловой баланс и степень концентрации электролита;
Материал электродных элементов. Золото является дорогим, но идеальным материалом для применения в электролизерах. Из-за его дороговизны часто применяют нержавеющую сталь.

Важно! В конструкциях другого типа значения будут иметь иные параметры.

Установки для электролиза воды могут также использоваться для таких целей, как обеззараживание, очистка и оценка качества воды.

Принцип работы и виды электролизера

Самое простое устройство имеют электролизеры, которые расщепляют воду на кислород и водород. Они состоят из емкости с электролитом, в которую помещаются электроды, подключенные к энергоисточнику.

Принцип работы электролизной установки заключается в том, что электроток, который проходит через электролит, имеет напряжение, достаточное для разложения воды на молекулы. Результат процесса – анод выделяет одну часть кислорода, а катод производит две части водорода.

Виды электролизеров

Устройства для расщепления воды бывают нижеследующих видов:

Сухие;
Проточные;
Мембранные;
Диафрагменные;
Щелочные.

Сухой тип

Такие электролизеры имеют самую простую конструкцию (картинка выше). Им присуща особенность, которая заключается в том, что манипуляция с числом ячеек дает возможность запитать агрегат от источника с любым напряжением.

Проточный тип

Эти установки имеют в своей конструкции полностью залитую электролитом ванну с электродными элементами и баком.

Принцип работы проточной электролизной установки нижеследующий (по картинке выше):

при протекании электролиза электролит вместе с газом через трубу «В» выдавливается в бак «D»;
в емкости «D» протекает процесс по отделению газа от электролита;
газ выходит через клапан «С»;
электролитный раствор возвращается через трубку «Е» в ванну «А».

Интересно знать. Такой принцип работы настроен в некоторых сварочных аппаратах – горение выделяемого газа позволяет сваривать элементы.

Мембранный тип

Электролизная установка мембранного типа имеет схожую конструкцию с другими электролизерами, однако в качестве электролита выступает твердое вещество на полимерной основе, которое именуется мембраной.

Мембрана в таких агрегатах имеет двойное назначение – перенос ионов и протонов, разделение электродов и продуктов электролиза.

Диафрагменный тип

Когда одно вещество не может проникать и влиять на другое, применяют пористую диафрагму, которая может изготавливаться из стекла, полимерных волокон, керамики либо асбестового материала.

Щелочной тип

Протекать электролиз в дистиллированной воде не может. В таких случаях необходимо использовать катализаторы, которыми выступают щелочные растворы высокой концентрации. Соответственно, основную часть электролизных устройств можно назвать щелочными.

Важно! Стоит отметить, что использование соли в качестве катализатора вредно, так как при протекании реакции выделяется газообразный хлор. Идеальным катализатором может выступать гидроксид натрия, который не разъедает железные электроды и не способствует выделению вредных веществ.

Самостоятельное изготовление электролизера

Изготовить электролизер своими руками может каждый человек. Для процесса сборки самой простой конструкции потребуются нижеследующие материалы:

лист нержавейки (идеальные варианты – зарубежная AISI 316L или отечественная 03Х16Н15М3);
болты М6х150;
шайбы и гайки;
прозрачная трубка – можно применять водяной уровень, который используется в строительных целях;
несколько штуцеров типа «елочка» с внешним диаметром 8 мм;
контейнер из пластика объемом 1,5 л;
небольшой фильтрующий проточную воду фильтр, например, фильтр для стиральных машин;
обратный водный клапан.

Процесс сборки

Собирать электролизер своими руками следует по следующей инструкции:

Первым делом необходимо осуществить разметку и дальнейшую распилку листа нержавейки на равные квадраты. Распилка может осуществляться угловой шлифовальной машинкой (болгаркой). Один из уголков в таких квадратах должен быть спилен под углом для верного скрепления пластин;
Далее потребуется просверлить отверстие для болта на противоположной от углового спила стороне пластины;
Соединение пластин необходимо производить поочередно: одна пластина на «+», следующая на «-» и так далее;
Между разно заряженными пластинами должен находиться изолятор, которым выступает трубка от водяного уровня. Ее необходимо разрезать на кольца, какие следует разрезать вдоль для получения полосок толщиной 1 мм. Такого расстояния между пластин достаточно для эффективного выделения газа при электролизе;
Скрепление пластин вместе осуществляется посредством шайб следующим образом: на болт насаживается шайба, потом – пластина, далее – три шайбы, после – пластина и так далее. Пластины, положительно заряженные, располагаются зеркально отрицательно заряженных листов. Это позволяет не допустить задевание электродов спиленными краями;

Собирая пластины, следует сразу выполнять их изоляцию и затяжку гаек;
Также каждую пластину нужно прозвонить для того, чтобы убедиться в отсутствии короткого замыкания;
Далее всю сборку требуется поместить в бокс из пластика;
После этого надо отметить места касания болтов о стенки контейнера, где и просверлить два отверстия. Если болты не влезают в емкость, то их необходимо подрезать ножовкой;
Далее болты затягиваются гайками и шайбами для герметичности конструкции;

После проделанных манипуляций потребуется сделать отверстия в крышке контейнера и вставить в них штуцера. Герметичность в данном случае можно обеспечить посредством промазки швов герметиками на основе силикона;
Защитный клапан и фильтр в конструкции располагаются на выходе газа и служат средством контроля чрезмерного его скопления, которое может привести к плачевным последствиям;
Электролизная установка собрана.

Заключительный этап – тестирование, которое осуществляется таким образом:

заполнение водой емкости до уровня крепежных болтов;
подключение питания к прибору;
подключение к штуцеру трубки, противоположный конец которой опускается в воду.

Если будет подан на установку слабый ток, то выпускание газа через трубку будет почти незаметно, однако внутри электролизера его можно будет наблюдать. Повышая электрический ток, добавляя щелочной катализатор в воду, можно существенно увеличить выход газового вещества.

Изготовленный электролизер может выступать составной частью многих устройств, например, водородной горелки.

Зная типы, основные характеристики, устройство и принцип работы электролизных установок, можно осуществить правильную сборку самодельной конструкции, которые будет являться незаменимым помощником в различных бытовых ситуациях: от сварки и экономии расхода топлива автотранспорта до работы систем отопления.

Видео

Подробности Опубликовано: 04.11.2015 07:48

Печное отопление в Украине, что называется, переживает второе рождение. Причины такого явления понятны без всяких объяснений. Именно поэтому харьковский рационализатор Олег Петрик предложил использовать технологии пылеугольных ТЭС для повышения эффективности домашних печей, причем для этого совсем не обязательно обладать навыками опытного слесаря.

Как можно поднять КПД угольной (дровяной) печи или твердотопливного котла без применения дополнительных энергоресурсов.

Принцип работы технологии достаточно прост: вода из резервуара (парогенератора) превращается в пар с высокой температурой (400 – 500 С) и подается непосредственно в пламя, выступая своеобразным катализатором горения, увеличивающим производительность отопительной установки.

Для создания рационализаторской системы, понадобится: парогенератор, который изготавливается из подручных средств (подойдет канистра или кастрюля, желательно из нержавеющей стали, может использоваться даже старый самогонный аппарат). В емкость врезается ниппель из автомобильной покрышки. Также понадобится около полуметра кислородного шланга и примерно полтора метра трубки, желательно из тонкостенной нержавейки с внутренним диаметром 8 мм, из которой изготавливается пароперегреватель .

По пароперегревателю, пар в разогретом состоянии попадает через отверстие в плите на колосниковую решетку. На конце трубки монтируется рассекатель пара для нейтрализации шума: трубка болгаркой разрезается немного меньше, чем на половину, с шагом, примерно, 10 мм, делается 7 - 10 пропилов, далее отверстия обматываются сеткой с окном 20-30 микрон из нержавеющей стали в два-три слоя, а прикрепляется она к трубке проволокой диаметром 1-1,5 мм.

Резиновую трубку над плитой необходимо поднять на 20-30 сантиметров (на представленном фото она не поднята). Хотя некоторое охлаждение кислородного шланга происходит за счет водяного пара, это нужно сделать из соображений пожарной безопасности.

Для того, чтобы, в свою очередь, ускорить выработку пара парогенератором, необходимо при разжигании дров, залить в емкость не более 200 мл воды, она закипит за 5-8 мин и устройство начнет работать на полную мощность. После этого в парогенератор можно полностью наполнить водой для длительной работы печи.

Увеличение производительности составляет, приблизительно, 50%, в сравнении с обычными устройствами. Испытания устройства показали, что выход печи на рабочий режим сократился в двое, то есть с 2 до 4 часов. Это значит, что дров для протопки печи понадобится в два раза меньше. Улучшилась полнота сгорания топлива, выходящий из трубы дым практически не виден, а количество золы значительно уменьшилось. В связи подорожанием энергоносителей, в частности природного газа, такая модернизация станет актуальной для многих домовладельцев.

Разумеется, что предложенное решение требует существенных доработок: необходимо автоматизировать процесс подачи воды, оптимизировать саму конструкцию и прочее. Однако, вариант недорогой и быстрой «прокачки» печи элементарными средствами, которые найдутся в каждом доме, поможет многим людям значительно сэкономить, а также, возможно станет толчком к разработке новых технологий и рождению новых идей.

В арсенале умельца из Харькова также имеется с окном экспериментальная установка по сжиганию угля или дров в паровой атмосфере или, как он ее называет, «водородная буржуйка»

Справка. Перегретый пар широко применяется для улучшения эффективности турбин на теплоэлектростанциях, с начала прошлого века использовался на паровозах всех типов. Более того, были разработаны проекты ядерных реакторов, где часть технологических каналов должны использоваться для перегрева пара перед подачей в турбины. Известно, что применение пароперегревателя позволяет существенно поднять КПД паровой установки и снизить износ ее узлов.

Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии - водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз - очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.

Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции - восстановления - в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100% , значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.

Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.

Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения - и выдают электроны.

В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О 2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H 2 , производя полезную форму водорода - газ H 2 ,

Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.

На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H 2 в секунду.

Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.

К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.

Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.