Простые расчеты в электролизе. Получение водорода. (стр. 8)
Подведем итог нашего теоретически-практического исследования.
1. Коэффициент полезного действия преобразования электричество - водород не может быть 100 процентов. Он определяется отношением напряжения разложения воды к общему напряжению на ячейке. В нашем случае это от 1,23 / 2,505 = 0,49 до 1,23 / 2,158 = 0,57, или от 49 до 57 процентов.
2. От одной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, емкостью 60 Ач, могут работать пять электролизеров, включенные последовательно.
3. С целью сохранения энергии накопленной в батарее, необходим нагрев ячейки электролизера до 80 градусов Цельсия. Для этого идеально подходит охлаждающая жидкость, циркулирующая в системе охлаждения автомобиля. Несложный теплообменник позволит стабилизировать температуру ячейки на уровне 80 – 85 градусов. На начальном этапе будет происходить нагрев, а в дальнейшем, отбор лишнего тепла от ячеек электролизера.
4. Напряжение на ячейке элекролизера рассчитывалось при неблагоприятной плотности тока 20 А / кв.дм. (2000А/м2). С уменьшением плотности тока увеличивается размер электрлизера, но перенапряжение выделения водорода и кислорода уменьшается, повышая выход водорода. Для тока 30А, при плотности тока 20А/дм.кв. площадь электродов должна быть 1,5 кв.дм. Если изменить конструкцию электролизера и вокруг анодной пластины, площадью 1,5 кв.дм. установить не одну, а две катодные пластины, то эквивалентная площадь увеличится в два раза и станет 3 дм.кв. Это приведет к снижению плотности тока в два раза, те до 10 А/кв.дм. и снизит перенапряжение на 0,07 Вольт (около 3-х процентов). В конечном итоге это позволит полностью использовать заряд аккумуляторной батареи, вплоть до 10,5 Вольт. Вспомним, что мы рассчитали суммарное напряжение для 5-ти электролизеров, включенных последовательно. Оно равнялось 10,79 Вольт. Снижая напряжение на каждой ячейке на 0,07 Вольт, суммарное напряжение снизится на 0,07 * 5 = 0,35 Вольт. В конечном итоге, 10,79 – 0,35 = 10,44 Вольт, что меньше, чем конечное напряжение на батарее.
5. Пять электролизеров, работающие от одной аккумуляторной батареи, способны вырабатывать 0,0347 литра водорода в секунду, при токе 30 Ампер. Это покрывает необходимость в водороде, для однолитрового двигателя, на 2,48 процента.
6. Аккумуляторная батарея позволяет кратковременно поднимать ток до 60 Ампер. Это приведет к почти двойному увеличению количества водорода и позволит покрыть необходимость двигателя в водороде, на 5 процентов. Именно такая добавка водорода к традиционному топливу считается оптимальной.
7. Существенно поднять производительность ячеек можно, если пожертвовать безопасностью, и убрать мембрану между анодом и катодом.
8. Электолизер, в котором каждая ячейка состоит из трех стальных пластин размером 10 на 15 сантиметров и расстоянием 0,3 - 0,5 см. между ними, можно сделать весьма компактным.
9. Применение в качестве электролита едкого кали (К(ОН)) делает электролиз более эффективным, а применение едкого натра или Na(OH), ухудшает эффективность, но делает оборудование дешевле и более доступным для повторения.
10. Что бы уменьшить начальное напряжение на ячейке электролизера, необходимо применить материалы, которые уменьшают перенапряжение на ячейке. Напыление на катод платины, уменьшит перенапряжение на 0,3 вольта, никеля на анод - 0,05 - 0,1 вольт. Таким образом можно увеличить количество ячеек с 5 до шести. Конечно, этот способ можно отнести к экзотическим, так как никто не собирается использовать дорогой металл - платину. С другой стороны, это 20 процентное увеличение выхода водорода, без дополнительных затрат тока (мощности, энергии).
11. При производстве водорода или кислородо-водородной смеси расходуется вода. Сколько ее расходуется? Приблизительный расчет показывает, что на 2 литра кислородо-водородной смеси расходуется 1 грамм воды. Таким образом, в электролизере должен быть постоянный запас воды или устройство, которое постоянно поддерживает уровень электролита в ячейках.
Более точный расчет следующий. Один моль воды, который весит 2+16=18 грамм, в результате электролиза превращается в 22,4 литра водорода (один моль) и 11,2 литра кислорода (половина моля), что в сумме 33,6 литра. После пересчета на 1 грамм воды, получается 1,87 литра газовой смеси. Учитывая то, что вместе с газами уносятся пары воды, то расход дополнительно увеличивается.
Прежде, чем приступать к экспериментам с водородом необходимо знать, что водород достаточно опасное вещество. Молекулы водорода при комнатной температуре малоактивны. Их реакционная способность увеличивается при нагревании, под действием ультрафиолетовых лучей, ионизирующих излучений, в присутствии катализаторов, искрового разряда. В присутствии платинового, никилевого, иногда железного катализатора, гремучая смесь взрывается при незначительном нагревании. Известно, из школьного курса, что при соотношении водорода и кислорода 2:1 образуется гремучая смесь, которая легко взрывается от искры или при поджигании. В школе не объяснили, что водород в смеси с кислородом или воздухом, взрывоопасен в широком диапазоне концентаций. К примеру, диапазон концентраций водорода в кислороде, сохраняет взрывоопасность в пределах 4,5 до 95 процентов, а смесь с воздухом в диапазоне 4,1 до 74 процентов. При этом смеси самовозгораются при температурах 450 и 510 градусов Цельсия соответсвенно. Скорость распределения пламени таких смесях 0,89 и 0,27 м/сек. (скорость звука в воздухе составляет 340 м/сек.) В гремучей смеси, скорость распространения пламени превышает скорость звука и составляет 2820 – 2860 метров в секунду, что позволяет говорить не о горении, а о детонации, т.е. распространении фронта пламени со сверхзвуковой скоростью. На этом основан экспрес анализ, который произвдят по звуку згорания микропорций таких смесей. Они сгорают либо с хлопком либо с громким щелчком, соответсвенно.
Before you start thinking about experiments with hydrogen, you need to know that hydrogen is extremely dangerous substance. This is a gas without color and odor. Molecules of hydrogen, at room temperature, low active. Their activity increases when heated, in the presence of ultraviolet light or other short-wave radiation, ionizing radiation, in the presence of a catalyst, and spark discharge. In the presence of platinum, nickel, and sometimes iron catalyst, explosive mixture explodes with unpredictable small heating.