Как можно использовать генератор водорода

Водород — это летучий бесцветный газ без вкуса и запаха. Химическая промышленность находит ему широкое применение.

С его участием осуществляется синтез наиболее востребованных органических веществ, таких как:

• аммиак;
• соляная кислота;
• метанол;
• синильная кислота.

Водород используется для производства органического топлива и смазочных материалов, а нефтеперерабатывающая промышленность включает его в циклы очистки нефтепродуктов от азотно-сернистых соединений. Процесс гидрогенизации растительных жиров успешно применяется в пищевой промышленности для получения маргарина.

Использования водорода не ограничивается синтезом всевозможных веществ. Его применяют в газовых смесях для метеорологических аэростатов. Ранее он использовался для наполнения дирижаблей, но серия аварий заставила отказаться от применения водорода в чистом виде.

Металлургическая промышленность использует водород для восстановления металлов, насыщая им металлические оксиды и соли. Водородное газобаллонное оборудование применяется для газосварки и газорезки. Авиакосмическая промышленность использует сжиженный водород, как ракетное топливо.

Дейтерий — это стабильный изотоп водорода, часто используемый в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов, а тритий — сверхтяжелый водород, который применяется, как радиоактивный маркер в биологических исследованиях и медицине.

В последнее время водород позиционируется перспективным видом топлива для различных транспортных средств и отопительных систем. Для его безопасного получения, хранения и транспортировки ведутся активные разработки. Тенденция увлечения годового потребления водорода сигнализирует о растущем спросе на него.

Генераторы водорода в лабораторной практике

Самые популярные генераторы водорода вы можете посмотреть и заказать, перейдя по этой ссылке.

ГВЧ — это генераторы водорода с чистотой от 99,99%, используемые в лабораторной практике. Они применяются для нужд газовой хроматографии. ГВЧ генераторы водорода обеспечивают питание детекторов установки как газом-носителем, так и питанием горелки нескольких ионизационных детекторов. Газовая хроматография является серийным методом для осуществления анализа практически любых соединений.

Генераторы водорода с установленным в заводских условиях  давлением, позволяют значительно снизить уровень шума базовой лини хроматографа. Чувствительность последнего ощутимо повышается, и результативность анализов увеличивается. Срок службы хроматографического оборудования (колонок, горелок), в большей степени, зависит от чистоты водорода.

Генераторы водорода ГВЧ не используют свободную щелочь или кислоту. Они производят высокочистый водород и побочный кислород, применяя процесс электролиза воды. Основным рабочим элементом водородного генератора ГВЧ является электролизная ячейка. Питание прибора осуществляется дистиллированной или деионизированной водой.

Высокая горючесть водорода не мешает эффективно использовать его для лабораторных целей. Он вырабатывается в генераторах водорода с такой низкой скоростью, что в помещении не успевает образоваться взрывоопасная концентрация. Водород — это самый эффективный газ-носитель с относительно малой стоимостью.

Водородные и вакуум-водородные электропечи

Водородные и вакуумно-водородные электропечи имеют широкое применение на промышленных предприятиях. Их использование необходимо в тех случаях, когда термическая обработка материала не возможна при атмосферных условиях. В водородных аппаратах используется автоматика, исключающая аварийные ситуации.

Водородные и вакуумно-водородные печи используются для:

• спекания топливных элементов атомной энергетики;
• серийного производства СВЧ приборов большой и средней мощности;
• синтезирования твердых сплавов;
• изготовления электротехнических приборов;
• производства керамических катодов;
• изготовления полупроводников;
• спекания в порошковой металлургии;
• производства вакуумных переключателей;
• пайки медью и твердыми припоями;
• пайки эвтектикой металлокерамики;
• отжига изделий из металла;
• удаления оксидных пленок;
• отжига металлических порошков;
• защиты нагревателей из тугоплавких материалов.

Вакуумные электропечи — это водородные аппараты, рабочее пространство которых находится под давлением ниже атмосферного. Их нагревательный модуль — это основной элемент, устанавливаемый внутри вакуумной камеры. Он является герметичным сосудом, к которому присоединяются вакуум-насосы.

Вакуум-водородная электропечь — это универсальный инструмент для проведения любого вида термообработки, которая используется в промышленном производстве. Без ее применения не обойдется любая отрасль, нуждающаяся в термической обработке или пайке изделий.

Если целевому заказчику необходимо наличие восстановительной атмосферы в печи, то наилучшим образом для этих целей подойдет вакуумно-водородная электропечь.

Она закачивается водородом по следующей схеме:

• форвакуумная откачка рабочего объема;
• напуск инертного газа;
• выдавливание водородом защитной атмосферы.

Водород может напускаться в нагревательный модуль непосредственно после откачки из него атмосферного воздуха. А процесс замены рабочего газа в водородном аппарате однонаправленный: выдавливание рабочего объема инертной средой, откачка защитной атмосферы и напуск.

Новейшие способы хранения водорода

Успешная реализация технологии бортового хранения водородного топлива является ключевой задачей для воплощения в жизнь экологически чистых видов транспорта. Основное внимание привлекают способы, отвечающие требованиям DOE (США) по вместимости водорода в системах с его содержанием не менее 6,5% и температурой дегидрации 60-120°С. При этом материал должен сохранять высокую долговечность в режиме циклирования.

Аналитические изыскания в области методов хранения водорода позволяют сделать вывод, что на данном этапе индустриального развития существуют предпосылки для серийного производства эффективных систем по водородному аккумулированию. Наиболее распространенный метод хранения водорода — это хранение в сжиженном состоянии. Такой подход позволяет создавать объемную плотность жидкого топлива, равную 70,8 кг/м³. Но его применение требует высоких мер безопасности.

Применение металлогидридов для хранения водорода

Наиболее подходящий способ для повседневного хранения — это производство интерметаллических и металлических гидридов. В них водород находится в связанном и более компактном состоянии. А его адсорбция и десорбция требуют меньших энергозатрат, в сравнении с производством жидкого газа. Кроме того металлогидриды обладают большей безопасностью и пониженными требованиями к надежности конструкции.

Технологическая гибкость сырья представляет широкие возможности для создания накопительного оборудования. В качестве материнского материала могут выступать как чистые металлы, так и сплавы на их основе. Но применение тех или иных веществ ограничивается водородоемкостью. Так интерметаллическое соединение LaNi₅ обладает большой емкостью, отличными показателями адсорбции-десорбции и долговечности при циклировании, но массовые показатели (1-4 масс.%) делают его непригодным для использования в накопителях.

Большую перспективу представляют гидриды магния, обладающие емкостью 7,6 масс.%. Для них характерны высокая обратимость реакции, а также повышенная температура отдачи водорода (около 300°С). Последняя определяет непригодность гидрида магния для бортового применения, в качестве источника топливного газа. Еще ни один сплав на его основе не продемонстрировал смещения температуры дегидрации в сторону понижения.

Еще один кандидат для аккумулирования водорода — это NaAlH₄ (аланат
натрия). Теоретически, его обратимая емкость составляет 5,6 масс.%. Он характеризуется низкой стоимостью и может производиться в больших объемах. Лигатуры позволяют сделать температуру дегидрации ниже 150°С. Но скорость двухступенчатой реакции уменьшает его пригодность для использования в транспортных средствах.

Интерес современной науки обращен на исследования способности хранения водорода в имиде и амиде лития. Для них характерны высокая обратимая емкость и повышенная температура десорбции. Но, чтобы сделать бортовые накопители на их основе, необходимо снизить уровень энергии, затрачиваемой для поддержания процесса дегидрирования.

Борогидриды металлов (Me(BH₄)n) также являются кандидатами на роль топливных элементов, ввиду их повышенной гравиметрической емкостью. Перспективными считаются борогидриды на основе Ca, Li и Mg, однако их применение на практике затрудняется повышенной температурой дегидрации, низкой цикличностью, скоростью адсорбции и дороговизной. Кроме того, борогидриды токсичны.

Применение нанотехнологий и цели дальнейшего развития

Большую перспективу  по накоплению водорода сулят нанометрические материалы, хотя их производство пока не удовлетворяет требованиям DOE (6,5 масс.%) для компактного хранения на борту транспортных средств. Механизмы адсорбции, а также процесс десорбции в них не до конца изучены, но величины обратимых емкостей вполне известны. Последние определяют целесообразность развития данного направления в освоении накопительных устройств нового типа.

На данный момент большую эффективность имеют комбинированные технологические решения, применяющиеся в космическом оборудовании. Металлогидриды в нем играют роль уловителей водорода, который в дальнейшем сжижается криогенными установками. Это наиболее удачный пример применения гидридов металла, но уже сейчас создаются экологичные автомобили на топливных элементах.

Современные методы хранения водорода нуждаются в научных изысканиях и постоянной доработке материала, но уже сейчас видно, что их применение — это реальность. Не остается за кадром и проблема синтеза водорода, для решения которой ведутся активные разработки. Целью всех работ является получение суперадсорбентов (>10 масс.%) для бортового хранения водорода и систем отопления.

Хотя пока не найдено идеального материала, который удовлетворял бы требованиям DOE (США), — активно ведутся научные исследования, направленные на поиск эффектных и безопасных решений для хранения водорода; уже создаются прототипы транспортных средств на водородных топливных элементах.

Автомобили с водородными двигателями

В современном мире ведутся активные разработки водородных силовых установок для использования на различных видах транспорта. Некоторые эксперты заявляют, что в ближайшие 15-20 лет мировая транспортная индустрия полностью перейдет на экологически чистые виды топлива, а водородный генератор станет привычным делом.

Мировое лидерство в области производства автомобилей с водородной системой занимает японская компания «Тойота». Toyota Mirai — это экологически чистая новинка в автомобилестроении. На ее борту находится первый серийный водородный двигатель. Авто характеризуется большим запасом хода, составляющим около 480 км.

На нем можно передвигаться не только в черте города, но и совершать путешествия на приличные расстояния. Для дальних поездок необходимо наличие АЗС на пути следования. Хотя на данном этапе развития «водородного» автомобилестроения и существуют трудности, то в обозримом будущем все проблемы будут решены.

Сердцем новинки является 153-сильная водородная система с большим запасом мощности. Ее основу представляют топливные ячейки, внутри которых происходят ионообменные реакции при участии водорода и кислорода. Они продуцируют мощную электрическую энергию, питающую электропривод.

Toyota Mirai — это экологически чистое средство передвижения, так как побочным продуктом работы водородной системы является вода. Номинальной сотни автомобиль достигает всего за 9 секунд. Помогает ему в этом электрохимический генератор  FC Stack. Заправка может осуществляться всего за 5 минут.

Попытки разработки водородного ДВС

В свое время были совершены попытки переоснащения двигателей внутреннего сгорания для работы на водороде. Но они не увенчались успехом по нескольким причинам. Трудности кроются в том, что такой двигатель использует лишь 1/3 энергии, которую он мог бы произвести в электрохимическом генераторе.

Еще одна причина — это вероятность прогара цилиндро-поршневой группы и клапанов. Длительная работа водородного ДВС сопряжена и с другими опасностями: H₂ может вступать в химическую реакцию с деталями и смазкой двигателя. Изменение характеристик последней ведет к быстрому износу мотора.

Благодаря высокой проникающей способности водород способен скапливаться во впускном коллекторе, что может привести к воспламенению подкапотного пространства. В этом отношении роторный двигатель внутреннего сгорания будет более безопасным, так как его коллекторы разнесены.

Отопление дома водородными котлами

Водородный котел — это новейшее слово в домашнем отоплении. Он обладает высокой экологичностью, а его источник энергии практически не исчерпаем. Водород способен обеспечить жилье теплом, которое минимизирует использование ископаемых ресурсов, а также исключает загрязнение атмосферы.

Водородные беспламенные котлы проекта H₂ydroGEM® не производят продукты горения. Продуцирование тепловой энергии происходит в результате каталитической реакции между водородом и кислородом. Эта разработка компании «Джакомини» используется для отопления в низкотемпературных системах теплых полов.

H₂ydroGEM® — это инновационная каталитическая камера сгорания. Она производит тепловую энергию низких температур. Ее использование является результатом разработки систем отопления зданий компанией «Джакомини», которые не загрязняют окружающую среду. Источником питания является водородный генератор — электролизер.

Существует много информации об использовании водородных аппаратов и генераторов водорода для отопительных нужд, которые делаются собственноручно. Но стоит помнить, что водород является взрывоопасным веществом, а его получение и хранение непростая задача даже для современных технологий.

В большинстве случаев подобные заявления — это плод необоснованных фантазий, но с развитием технологий наша жизнь кардинально меняется и то, что было невозможно два десятка лет назад, становится привычным делом. Так что компании, наподобие «Джакомини» делают первые шаги в будущее.