Генератор на водороде: Генератор водорода: принцип работы, преимущества водородного генератора

Генератор водорода: принцип работы, преимущества водородного генератора

Главная / Статьи / Генератор водорода высокой чистоты

---



Водород используется в качестве газа-носителя при проведении хроматографических исследований. Для постоянного питания лабораторного оборудования необходимо либо подключать баллоны с H₂ под давлением, либо генератор водорода. Второй вариант предпочтительнее по нескольким причинам, и все они будут рассмотрены в этой статье наряду с другими темами:

Преимущества генераторов водорода

Использование баллонного H₂ приводит к повышению стоимости производственного цикла: компания вынуждена постоянно закупать и доставлять газ, из-за чего весь процесс работы ставится в зависимость от регулярности поставок. Кроме того, хранение баллонов под давлением — это всегда повышенный риск утечки, взрывов и пожаров.

Установка генератора водорода позволяет получать нужное количество вещества высокой степени очистки (до 99,999%).

В результате предприятие оптимизирует структуру расходов, добиваясь при этом постоянного и равномерного проведения хроматографических исследований. Обеспечиваются и дополнительные преимущества:

• Прибор генерирует газ только по мере необходимости: не нужно хранить водород, что исключает вероятность выброса газа в помещение.
• Концентрация получаемого вещества ниже взрывоопасной: полностью соблюдается техника безопасности, минимизируются возможные травмы на производстве.
• Оператор полностью контролирует качество получаемого газа, а в случае его снижения может предпринять меры по дополнительной очистке.

Принцип работы оборудования

Генератор водорода, купить который может любая компания или лаборатория, получает газ из дистиллята. Причем его качество влияет на процентное содержание примесей в готовом продукте. Если в генератор чистого водорода поступает вода с высокой концентрацией посторонних ионов, она несколько раз проходит через деионизационный фильтр и только потом попадает в электролизер.

Последующие этапы получения H₂ выглядят следующим образом:

• Дистиллят расщепляется на кислород и водород в процессе электролиза (в качестве электролита применяется ионообменная мембрана).
• О₂ попадает в питающий бак, а потом сбрасывается в атмосферу, как побочный продукт работы устройства.
• H₂ подается в сепаратор, отделяется от воды, которая затем снова поступает в питающий бак. Это обеспечивает непрерывность процесса получения нужного вещества.
• Водород еще раз проходит через разделяющую мембрану, удаляющую из газа остаточные молекулы кислорода, и поступает в хроматографическое оборудование.

По этому принципу работает любой водородный генератор, купить который предлагают современные производители. Технические параметры зависят от модели.

Особенности и возможности генераторов водорода

Главное требование к прибору — качество получаемого вещества. Генератор водорода, купить который предлагает

НПФ «Мета-хром», производит H₂ высшей категории, соответствующий ГОСТу. То есть он может использоваться в качестве источника газа-носителя для питания высокоточного лабораторного оборудования. Это актуальное решение, если потребителю по каким-либо причинам недоступен гелий: например, в случаях работы прибора с детектором по теплопроводности.

Современное оборудование полностью автоматизировано за счет наличия большого количества датчиков, контролирующих все этапы получения газа. В свою очередь датчиками управляет микропроцессор. Он позволяет оператору задавать нужные режимы работы с помощью клавиатуры. Генератор водорода, цена которого является доступной, регулирует следующие параметры:

• Давление полученного вещества, подаваемого на хроматографическую линию.
• Уровень заливаемого в бак дистиллята и его расход.
• Герметичность газовых магистралей: при обнаружении утечки сразу подается соответствующий сигнал, работа прекращается.
• Параметры тока в электролизере.

Выбор прибора

Когда выбирается генератор водорода, цена модели обычно отражает ее возможности.

Чем их больше, тем удобнее прибор в регулярном использовании. К наиболее важным параметрам относятся:

• Микропроцессорное управление для точного задания рабочих параметров.
• Качество очистки готового продукта: желательно, чтобы техника поддерживала многоступенчатую подготовку H₂.
• КПД электролизера: чем он выше, тем меньше энергии расходуется на поддержание расщепления воды.
• Возможность дозаливки дистиллята без отключения устройства для обеспечения непрерывности процессов.
• Продуманная защита от повышения тока в камере электролиза или в случае превышения давления в питающих трубах. Оптимально, если устройство сразу отключается или автоматически меняет рабочие параметры.
• Регулируемая производительность H₂. Наличие этой функции позволяет оператору контролировать объемы генерируемого газа. Сокращается нагрузка на электролизер, повышается срок его службы без необходимости замены.
• Управление температурным режимом дожигателя кислорода. Чем больше параметров, которые позволяют регулировать генератор чистого водорода, тем проще отладить производственный процесс.
• Индикация влажности вещества (исключает риск попадания влаги в питающие линии).

Существуют и другие параметры, на которые рекомендуется обратить внимание перед тем, как купить водородный генератор: цена устройства, производительность, степень очистки газа, стабильность давления, обводненность готового вещества, время выхода на режим, потребляемая мощность и габариты.

Обслуживание генераторов водорода

Современные устройства не требуют сложной пусконаладки или дорогостоящего обслуживания. Это универсальные приборы, которые удобно использовать на производствах в любой отрасли промышленности. Управление осуществляется через мини-клавиатуры, а результаты выводятся на ЖК-монитор.

Использование прибора позволяет полностью отказаться или существенно сократить объемы потребления баллонного H₂ и повышает эффективность работы предприятий.

Автозаправка сможет получать топливо из воздуха

Российские ученые сделали и уже подключили к автозаправке первый отечественный электролизный генератор газа, способный производить водород с чистотой 99,999%. Это делает заправку автономной – топливо она получит из воды.

Водородный электролизер – устройство, способное разделять компоненты жидкости при помощи электрического тока, – разработан компанией «Поликом» на базе Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Новые и мобильные источники энергии». С его использованием заправка становится независима от внешних поставок газа. По сравнению с обычной бензиновой заправка, для которой водород поставляется в баллонах, в 5–6 раз дороже в эксплуатации. Электролизер эту диспропорцию выравнивает. Прибор использует электричество и воду – эти ресурсы, даже с учетом системы водоподготовки, есть на любой заправке, говорит генеральный директор «Поликома» Евгений Волков.

Внедрение водородного топлива в России делает самые первые шаги – в стране практически нет водородного транспорта, поэтому нет и инфраструктуры для его заправки. В регулярном режиме в России сейчас эксплуатируется только один-единственный автомобиль на водородных топливных элементах – Toyota Mirai. Но это только начало. Год назад правительство России приняло решение разработать программу развития национальной водородной энергетики. Это ключевой фактор глобальной энергетической трансформации, позволяющий снизить парниковые выбросы. Чтобы к 2050 г. понизить температуру окружающего воздуха на 2 градуса, нужно перевести на водородное топливо 400 млн частных автомобилей, 15–20 млн грузовиков и 5 млн единиц общественного транспорта, показал отчет аналитического центра Hydrogen Council. Данные легли в основу программы Центра компетенций НТИ «Водородная Россия – 2050». Один из этапов программы – создание водородной трассы Москва – Казань со всей необходимой инфраструктурой. А также постепенное внедрение в России водородных автомобилей.

В ноябре 2020 г. компания «Эвокарго» объявила о выпуске беспилотного грузовика EVO-1. Он полностью основан на российских разработках, оснащен гибридной системой питания от электрических батарей и водородных топливных элементов, говорилось в официальном сообщении компании. В перспективе грузовики «Эвокарго» смогут пользоваться водородными заправками «Поликома», отметили в офисе НТИ. Понятно, что водородные заправки будут востребованы, когда будут реализованы масштабные транспортные проекты на водороде – пассажирские перевозки, грузовой и коммунальный транспорт.

Человечество более 50 лет ищет альтернативу традиционным моторам, и одна из возможных замен – двигатели, работающие на водороде. При сгорании водорода не образуется токсичных выбросов, он совершенно экологически безопасен, рассказывает генеральный директор «Донэнерго», эксперт в области энергетики и электротранспорта Сергей Сизиков. Минусы водорода – его стоимость и взрывоопасность, а также то, что для его добычи нужен целый производственный комплекс и не в каждом регионе он есть. Водородный транспорт существует пока в виде проектов – в основном ими занимаются крупные автомобильные компании, которые вместе с учеными разрабатывают соответствующие концепты. Из-за взрывоопасности технология не получила распространения в повседневной жизни – мировые производители в качестве основного вектора выбрали электротранспорт, эта технология уже используется людьми и на данный момент электрические гибриды существенно перспективнее водородных, заключает Сизиков. Так что на данный момент водородная технология является скорее научной, чем практической.

ВОДОРОДНЫЙ ГЕНЕРАТОР • Большая российская энциклопедия

• В книжной версии

  Том 5. Москва, 2006, стр. 501

• Скопировать библиографическую ссылку:

  ---

Авторы: А. И. Никитин

ВОДОРО́ДНЫЙ ГЕНЕРА́ТОР, кван­то­вый ге­не­ра­тор вы­со­ко­ста­биль­но­го из­лу­че­ния, дей­ст­вие ко­то­ро­го ос­но­ва­но на вы­ну­ж­ден­ном ис­пус­ка­нии фо­то­нов ато­ма­ми во­до­ро­да. Пер­вый В. г. {–25}$ Дж. В маг­нит­ном по­ле про­ек­ции мо­мен­та $F=1$ на на­прав­ле­ние по­ля рав­ны $m_F=1$, $0$ и $–1$. Про­ек­ция мо­мен­та $F=0$ рав­на $m_F=0$. При пе­ре­хо­де ме­ж­ду маг­нит­ны­ми по­ду­ров­ня­ми сверх­тон­кой струк­ту­ры ос­нов­но­го со­стоя­ния $F=1$, $m_F=0→$$F=0$, $m_F=0$ атом во­до­ро­да ис­пус­ка­ет квант с час­тотой $f_H=1420405751,7864±0,0017$ Гц (дли­на вол­ны 21 см).

Что­бы по­лу­чить из­лу­че­ние на этой час­то­те, на­до от­де­лить (от­сор­ти­ро­вать) ато­мы с $F=1$, $m_F=0$ от ато­мов в др. энер­ге­тич. со­стоя­ни­ях и на­ко­пить их. Для сор­ти­ров­ки ис­поль­зу­ют не­од­но­род­ное маг­нит­ное по­ле. В силь­ном маг­нит­ном по­ле взаи­мо­дей­ст­вие ато­ма с по­лем оп­ре­де­ля­ет­ся маг­нит­ным мо­мен­том элек­тро­на. Ато­мы с раз­ной ори­ен­та­ци­ей элек­трон­но­го спи­на вы­тал­ки­ва­ют­ся не­од­нород­ным по­лем в про­ти­во­по­лож­ные сто­ро­ны и их мож­но раз­де­лить. Прой­дя че­рез об­ласть с не­од­но­род­ным маг­нит­ным по­лем, пу­чок ато­мов рас­ще­пит­ся на два: ато­мы в со­стоя­ни­ях $F=1$, $m_F=1$ и $F= 1$, $m_F=0$, свя­зан­ных с элек­тро­ном, спин ко­то­ро­го ори­ен­ти­ро­ван вдоль по­ля, от­кло­нят­ся в об­ласть сла­бо­го по­ля, а ато­мы в со­стоя­ни­ях $F=1$, $m_F=–1$ и $F=0$, $m_F=0$ – в об­ласть силь­но­го по­ля.

Схема водородного генератора: 1 – источник атомов водорода; 2 – диафрагма; 3 – магнит; 4 – система откачки для обеспечения вакуума; 5 – накопительная ячейка; 6 – об…

Схе­ма В. г. пред­став­ле­на на рис. Пу­чок ато­мов во­до­ро­да, по­лу­чен­ных в ре­зуль­та­те дис­со­циа­ции мо­ле­кул во­до­ро­да в ис­точ­ни­ке 1, про­пус­ка­ет­ся вдоль оси шес­ти­по­люс­но­го маг­ни­та 3, на­пря­жён­ность по­ля ко­то­ро­го ми­ни­маль­на на оси и уве­ли­чи­ва­ет­ся по ра­диу­су. Для ато­мов в со­стоя­ни­ях $F=1$, $m_F=1$ и $F=1$, $m_F=0$, ко­то­рые от­кло­ня­ют­ся в об­ласть сла­бо­го по­ля, этот маг­нит дей­ст­ву­ет как со­би­раю­щая лин­за. Вый­дя из маг­ни­та, эти ато­мы по­па­да­ют в на­ко­пи­тель­ную ячей­ку 5, пред­став­ляю­щую со­бой сфе­рич. кол­бу диа­мет­ром ок. 15 см со стен­ка­ми из плав­ле­но­го квар­ца (про­зрач­ны­ми для ра­дио­из­лу­че­ния с дли­ной вол­ны 21 см). Стен­ки кол­бы из­нут­ри по­кры­ты тон­кой плён­кой фто­ро­пла­ста, при столк­но­ве­нии с ней атом прак­ти­че­ски не ме­ня­ет сво­его кван­то­во­го со­стоя­ния.

{–12}$ ($Δf$ – не­точ­ность ус­та­нов­ки час­то­ты). Обыч­но на­строй­ка про­ве­ря­ет­ся по бо­лее точ­но­му це­зие­во­му стан­дар­ту час­то­ты. По­сле на­строй­ки В. г. со­хра­ня­ет ста­биль­ность час­то­ты с по­греш­но­стью по­ряд­ка 10^–14 в те­че­ние су­ток и 10^–13 в те­че­ние го­да.

Toyota в качестве эксперимента подключила генератор на водородных топливных элементах к энергосистеме одного из своих заводов

Toyota является, пожалуй, одним из главных проповедников водородного топлива. Компания использует его и для обычных пассажирских автомобилей, и для луноходов — и не намерена на этом останавливаться. На днях японский автопроизводитель приступил к практической части изучения перспектив своего, пожалуй, наиболее амбициозного проекта по использованию топливных элементов: испытания покажут, реально ли за счет водорода обеспечить чистой энергией не только транспорт, но и здания и заводы.

Как сообщается, экспериментальный генератор на топливных элементах, созданный на основе компонентов Toyota Mirai, был установлен на фабрике Honsha, расположенной в кампусе Toyota City в Японии. Данное предприятие выпускает рамы для автомобилей, гибридные трансмиссии, балки заднего моста, аккумуляторы, а также кованые детали.

Установка использует две системы топливных элементов Mirai, каждая из которых включает топливную батарею, превращающую водород в электричество; буферный аккумулятор и преобразователь тока с панелью управления, выдающий в нагрузку трехфазный переменный ток с напряжением 210 В. Использование компонентов серийного водородного автомобиля позволило японскому автогиганту существенно снизить расходы на создание системы, пишет Digital Trends.

Внутреннее устройство генератора. Его габариты — 2,3 × 4,5 × 2,5 м.

Мощность генератора составляет 100 кВт, что не слишком заметно на фоне потребностей целого завода. Зато устройство, по плану, будет работать круглосуточно. По результатам испытаний инженеры Toyota собираются оценить эффективность установки, стабильность ее работы и легкость обслуживания. Если испытания признают успешными, компания попробует распространить эту технологию и на другие фабрики, задействовав такого рода генераторы для уменьшения собственного углеродного следа (конечная долгосрочная цель инициативы — к 2050 году полностью перевести заводы корпорации на водород, сделав их экологически нейтральными), а также начнет изучать возможности по ее коммерциализации.

Схема работы генератора.

Кроме того, прогнозируется, что опыт со стационарным водородным генератором косвенно поможет и автомобилям на топливных элементах, поскольку позволит инженерам оценить эффективность системы в жестких условиях круглосуточной нагрузки, благодаря чему они, возможно, смогут сделать топливные ячейки еще эффективнее, компактнее, дешевле и долговечнее.

Вдобавок к этому руководство японской автомобильной корпорации объявило о планах запустить производство водорода на своих заводах в качестве побочного продукта изготовления компонентов топливных элементов. Впрочем, технические подробности данного намерения не раскрываются.

Источник: hightech.plus

Американцы создадут полевой генератор водорода

U.S. Army

Американская компания General Atomics Electromagnetic Systems получила контракт Армии США на разработку полевого генератора водорода высокого давления. Согласно сообщению компании, разработка прототипа системы и его испытания должны завершиться в течение двух лет.

Предполагается, что водородные топливные элементы способны существенно увеличивать дальность полета беспилотников. Наземные автомобили с водородными элементами, благодаря использованию в них электромоторов, способны передвигаться гораздо тише бензиновых или дизельных машин.

При этом использование техники с водородными топливными элементами в полевых условиях сопряжено со множеством трудностей. В частности, пока не существует относительно компактных систем генерации водорода. Современные системы в большинстве случаев вырабатывают водород методом электролиза, требующим электроэнергии, которую в полевых условиях бывает трудно получить.

Согласно сообщению General Atomics Electromagnetic Systems, в ее генераторе водорода будет использоваться порошок алюминиевого сплава. Для работы установки потребуется только вода, с которой порошок будет вступать в реакцию с выделением водорода. Другие подробности о перспективной разработке не уточняются.

В 2007 году исследователи из Университета Пёрдью представили новый сплав алюминия, вступающий в реакцию с водой в обычных условиях. Этот сплав на 95 процентов состоит из алюминия, а на оставшиеся 5 процентов — из галлия, индия и олова.

Василий Сычёв

ВОДОРОДНЫЙ ГЕНЕРАТОР — Direct Invest

The purpose of the loan: произвоство водородных генераторов для автотранспорта

Short description

О ТЕХНОЛОГИИ ВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ

Исследования “Hydrogen” показали, что двигатели внутреннего сгорания, дополнительно заправленные водородной смесью HHO требуют меньше топлива и производят меньше выбросов углекислого газа.

Эксперименты проводились с целью оценить влияние добавления HHO-газа, полученный электрохимическим путём из воды, к воздуху во впускном коллекторе прямого впрыска дизельного двигателя. Исследования показывают, что добавление HHO-газа может улучшить эффективность процесса сгорания из-за РАЗЛИЧНЫХ свойств сгорания водородной смеси HHO в сравнении с традиционными видами топлива.

ОБ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА С ВОДОРОДНЫМИ HHO СИСТЕМАМИ

Экономия топлива при использовании HHO систем может достигать – 50%.

Рекомендуемое оборудование:

Для достижения наилучших показателей экономии топлива требуется правильное сочетание оборудования: (генератор водорода + электронный контроллер). Электронные контроллеры регулируют расход водорода и управляют сигналами датчиков автомобиля. Мы предлагаем различные электронные продукты, совместимые со всеми существующими HHO системами.

Экономить топливо с ННО системами можно на любом автомобиле!

ННО системы с высокотехнологичной электроникой, контролирующей работу HHO генератора подходят как для бензиновых, так и дизельных двигателей и могут быть установлены на – легковые автомобили, грузовые автомобили, коммерческий транспорт, микроавтобусы, трактора, лодки, электрогенераторы и любую другую технику с двигателем внутреннего сгорания.

Средние показатели экономии топлива:

Автомобиль с дизельным двигателем 20-50%

Автомобиль с бензиновым двигателем 20-60%

Автомобиль с газовой установкой 20-40%

Как HHO-газ работает в Вашем автомобиле?

В двигателе находятся поршни, которые быстро двигаются вверх и вниз со стабильной скоростью, обеспечивая мощность автомобиля. Когда поршень находится в нижнем положении он создает вакуум, который всасывает топливо и воздух (Подвод). Когда поршень поднимается, он сжимает топливную смесь (Компрессия) и свеча её зажигает (Мощность). В идеальном двигателе, возгорание топливной смеси должно происходить, когда поршень находится в самой верхней позиции. Но, к сожалению, в большинстве двигателей возгорание происходит раньше и топливо не сгорает полностью. Это приводит к неэффективной работе двигателя, повышенному расходу топлива и повышенным вредным выбросам СО2 в атмосферу.

Когда водородная смесь HHO смешивается с топливом Вашего автомобиля, она повышает октановое число топливной смеси (топливо + HHO-газ), так-же повышается и объем компресии необходимый для возгорания топлива.

Поршень должен полностью сжать топливную смесь для ее возгорания, HHO-газ дополнительно помогает топливу сгореть более эффективно, благодаря чему снизить вредные выбросы СО2 в атмосферу. Таким образом увеличивается КПД сгорания топлива, повышается мощность двигателя, он становится “живее” и , как итог – снижается расход топлива (л/км).

Кратко о водородом генераторе экономии топлива для любого вида автотранспорта:

Сегодня доступна новая водородная система экономии топлива , которая позволяет значительно сократить расход топлива вашего автомобиля. Просто используйте классическое топливо (бензин, дизтопливо или газ) в смеси с водородом, который производится в необходимом количестве непосредственно в вашем автомобиле, путём электролиза. Водород подаётся в камеру сгорания двигателя, через коллектор подачи воздуха, смешивается с органическим топливом (бензин, дизтопливо или газ) и сгорает в двигателе.

Эффект экономии достигается из-за лучшего горения смеси углеродного топлива и HHO-газа.

Это даёт возможность топливу сгорать почти полностью, ощутимо увеличивая КПД и потенциал двигателя.

Результаты  водородных HHO систем:

• Снижение расхода топлива от 20% до 50%

• Увеличение мощности двигателя до 25%

• Снижение вредных выбросов CO3, СН до 80%

• Очищение цилиндров от копоти

• Понижение рабочей температуры двигателя

• Эластичная работа двигателя

• Продление срока эксплуатации двигателя bez HHO

Планируется три типа установок для отопления помещений: до 250 м2, до 500 м2 и до 1000 м2. Водородная установка дает отопление, горячую воду и водород на варочные поверхности. Таким образом, вместо природного газа будет безвредный водород 3 в 1.

Это водородный генератор, который работает на отопление 300 м2 потребляет менее 2 КВт/час!!!

Водородные установки для автомобилей любого типа и любого типа топлива экономят в среднем от 30%, но чем старше машина, тем выше экономия, может доходить до 50-60%.

Запуск мелкосерийного производства обойдется в 150-200$ тыс, серийное производство порядка 1,5-2$ млн.

Так же есть второй вид использования водорода в чистом виде для систем отопления и горячей воды, где водород сгорает в специальном котле при температуре 3600С…тоже абсолютно безопасен, даже если его потушить, будет идти обыкновенный пар.

Здесь водородный генератор который работает на отопление 300 м2 потребляет менее 2 КВт/час!!!

Готовы при реальной заинтересованности все презентовать.

Можно для старта запустить водородные генераторы для автотранспорта, тема очень понятная и очень перспективная, для старта здесь хватит и 80$ тыс, а уже в производство вкладываться чуть позже.

Проект очень быстро окупаемый, высокорентабельный.

➤Промышленный Генератор Водорода в Украине

Производство водорода

 

Генератор водорода – технический комплекс, который вырабатывает чистый водород. Большинство генераторов водорода используют технологию водяного электролиза (электролизеры). Но встречаются и генераторы биологического, биохимического и пароконверсионного типов.

Для чего вырабатывать водород? – Человечество стоит на пороге водородной энергетики. Продуктом сгорания водорода является обыкновенная вода (Н2О), то есть, нет ни углекислоты, ни угарно газа. Энергетический потенциал водорода намного выше, чем у пропана, бензина или угля. Благодаря переходу на водород можно предотвратить надвигающуюся глобальную катастрофу, связанную с «парниковым эффектом» и потеплением.

В промышленности же водород используется при производстве аммиака и бензина (на некоторых стадиях крекинга нефти). Помимо этого, многие предприятия используют водород при получении электрической и тепловой энергии. А также водород используется при проведении анализов проб различного сырья (природных ископаемых, металла и пр.).

Как работает генератор водорода (электролизер)? – Насос закачивает в рабочую камеру, которая состоит из специальных катодно-анодных ячеек, заранее подготовленную воду (дистиллированную). Подается ток с очень высоким напряжением, который буквально разрывает молекулы воды на кислород и водород. Водород отводится в емкость для хранения. Кислород отводится в кислородопровод или сбрасывается в атмосферу.

 

Что мы предлагаем?

На протяжении уже многих лет компания BTS-Group занимается оснащением промышленных линий получения чистого водорода. В своей работе мы используем самые производительные, самые безопасные и самые надежные генераторы водорода.

Обратите внимание на арсенал наших генераторов. Здесь вы найдете установки различного уровня производительности.

То есть, мы располагаем оборудованием, которого с головой хватит для оснащения небольшой производственной лаборатории, домашней заправочной или тепло/электростанции, промышленной водородной линии для получения аммиака/бензина и прочее-прочее.

Генераторы могут иметь вид как стационарного заводского производства, так и передвижных контейнеров, которые получится транспортировать легковым или грузовым автомобилем.

 

Два слова о предосторожности

Реакция разделения кислорода и водорода очень опасна. При контакте чистого водорода с чистым кислородом происходит взрыв огромной силы (это гремучая смесь). Высокопроизводительные водородные установки стараются выносить подальше от производства, и управляются они дистанционно, без непосредственного участия человека.

Домашние же (малопроизводительные) агрегаты практически не представляют опасности, но все же они выносятся в отдельное помещение с хорошо укрепленной конструкцией.

 

Дополнительная информация

Получите бесплатную консультацию специалистов BTS-Group по

Генератор водорода QL-300 PEM

Генератор водорода QL используется для производства водорода чистотой до 99,9995% с помощью передовой мировой технологии PEM. Полученный водород можно использовать для газа-носителя и топливного газа для газовой хроматографии (ГХ), газа столкновений ICP-MS, реактора гидрирования, топливных элементов и оборудования для испытаний на выбросы. Это идеальное оборудование для замены обычных газовых баллонов в лаборатории. Генератор водорода QL — лучшее решение для добычи газа на месте.

В системах QL Hydrogen Generation используются платиновый катализатор и технология PEM (протонообменная мембрана) для разделения деионизированной воды на составные части.Протонообменная мембрана (PEM) позволяет только воде и положительным ионам перемещаться между отсеками. Мембрана также служит электролитом в ячейке, устраняя необходимость в опасных жидких электролитах, таких как концентрированный гидроксид калия. Электролиз воды PEM просто расщепляет чистую деионизированную воду (H ₂ O) на составляющие части, водород (H ₂ ) и кислород (O ₂ ), по обе стороны от мембраны.

Когда на электролизер подается постоянное напряжение, вода подается на анод или кислородный электрод и окисляется до кислорода и протонов, а электроны высвобождаются.Протоны (ионы H ⁺ ) проходят через PEM на катод или водородный электрод, где они встречаются с электронами с другой стороны цепи и восстанавливаются до газообразного водорода. В клетке происходят две реакции:

1. 2H ₂ O -> 4H ⁺ + 4e ^— + O ₂
2. 4H ⁺ + 4e ^— -> 2H ₂

Таким образом, единственно возможные компоненты потоков — водород, кислород и водная влага.

Заявки:

• Газ-носитель и топливный газ для газовой хроматографии
• Подача водорода для топливного элемента
• Газ для столкновения ИСП-МС
• Подача водорода в реактор гидрирования
• Подача водорода для оборудования для испытаний на выбросы
• Газоанализатор опорный газ
• Реакционный газ ELCD (детектор проводимости)
• АЭД (атомно-эмиссионный детектор) реакционного газа
• Другая область применения чистого водорода

Преимущества продукта:

• Технология твердого полимерного электролита
• Структура нескольких электродов и многоэлементной электролизной ячейки
• Электролиз чистой воды (без добавления щелочи)
• Низкое энергопотребление
• Низкое напряжение ячейки
• Высокая эффективность электролиза

Основные характеристики:

Модель	Блок	QL-150	QL-300	QL-500	QL-1000	QL-2000
h3 Расход	куб. см / мин	0–150	0–300	0–500	0–1000	0–2000
h3 Чистота	%	> 99.9995
Выходное давление	бар	0,2 — 4,0
Точка росы	° С	— 65,0
Входная мощность	Ватт	<90	<150	<300	<500	<1000
Напряжение	AC	220 В / 110 В, 50-60 Гц
Емкость резервуара для воды	Литр	3.0	3,0	3,0	6,0	6,0
Операционная среда	В помещении	От 5 ° C до 45 ° C, <80% влажности в помещении
Вес	кг	<15	<15	<15	<27	<30
Водонепроницаемость	МОм * см	> 1
Размеры (Д x Ш x В)	мм	420 х 227 х 352	420 х 227 х 352	420 х 227 х 352	485 х 368 х 352	505 х 368 х 352
Мембрана	Мембрана Nafion PFSA

Ожидаемое время выполнения заказа составит две-три недели.

Руководство по эксплуатации генератора водорода QL-300 PEM

Новый генератор может вдвое снизить стоимость водорода, используемого для питания зданий и автомобилей

Стартап h3 Energy Renaissance в Калифорнии объявил сегодня о создании недорогого в производстве водородного генератора, который производит доступный водород по запросу.

«Эта технология должна снизить затраты на транспортировку электроэнергии и топлива как минимум на 50%», — говорится в сообщении компании.

Компания утверждает, что ее водородный генератор h3 Energy Renaissance может производить газ по цене от 50 центов до 1 доллара за килограмм.

Генератор использует водопроводную воду, алюминий и небольшое количество электроэнергии — от 50 до 150 Вт. Электричество может поступать от небольшой солнечной панели, мини-ветряной турбины, настенной розетки или самозарядного аккумулятора, аналогичного тем, которые используются в автомобилях.

Алюминий и химический катализатор можно менять каждые несколько дней или каждые несколько месяцев, в зависимости от размера генератора, сообщила компания.

Большие количества водорода производятся с помощью гидроэлектрического удара, прикладываемого к алюминиевым пластинам, помещенным в воду. Гидроэлектрическая реакция горит при температуре выше, чем солнце, и создает давление более 100 000 атмосфер на микроуровне.

DOE

Как топливный элемент производит электричество с использованием газообразного водорода.

Гидроэлектрический удар, или электрогидроцикловая реакция, разъедает алюминиевые пластины, разрушая на них оксидную пленку, которая разлагает молекулы воды с выделением водорода.Затем газообразный водород охлаждается, и его чистота составляет 97%. Генератор работает при температуре 150 градусов по Фаренгейту.

Побочный продукт — вода из генератора и остатки алюминия, пригодные для повторного использования. Размеры генераторов — 15 дюймов, ширина — 32 дюйма, длина — 20 дюймов, а их вес — около 250 фунтов. Они способны производить от 10 кубических футов в минуту и ​​18 кубических футов в минуту. В час генераторы могут производить от 1,4 кг до 2,55 кг водорода.

По словам Кирилла Гичунца, генерального директора h3 Energy Renaissance, генераторы будут стоить около 2000 долларов за домашний блок и от 5000 до 15000 долларов за более крупные.

Согласно маркетинговым материалам компании, генераторы будут намного дешевле, чем солнечные панели, а срок окупаемости будет намного короче.

«В генераторах используются простые материалы, и их очень легко построить: металлические листы, металлические пластины, а также некоторые провода и некоторые электрические компоненты», — говорится в сообщении. «Водород может приводить в действие практически все. Даже весь ваш дом будет полностью обеспечен энергией от этого обильного, чистого источника энергии. Водород также означает экологически чистое путешествие, будь то ваш личный автомобиль или грузовик. «

Honda

Автомобиль на топливных элементах FCX Clarity компании Honda, который компания уже арендует в Калифорнии.

В 2013 году многие производители автомобилей объявили о своих планах по выпуску первых электромобилей на топливных элементах (FCEV); Toyota, Hyundai, General Motors, Honda, Mercedes / Daimler уже внедрили FCEV в дорогу, другие планируют сделать это в ближайшие пару лет.

Однако пока автомобили FCEV присутствуют, водородная инфраструктура остается самой большой проблемой для успешной коммерциализации автомобилей FCEV, согласно U.S. Министерство энергетики (DOE).

FCEV, однако, обладают огромным потенциалом. Они чистые, так как выделяют только водяной пар. А такие автомобили FCEV, как седан Toyota Mirai, могут проехать 300 и более миль на одной заправке водородом, что можно сделать так же быстро, как заправку на заправке. Toyota Mirai предлагает эквивалент 67 миль на галлон газообразного водорода.

Toyota

Электромобиль на топливных элементах Toyota Mirai 2016 года выпуска

Для сравнения: полная зарядка седана Tesla Model S обеспечивает до 265 миль пути. Toyota RAV4 EV проезжает всего 125 миль при полной зарядке.

Водородный газ сегодня дорог в производстве и в дефиците.

По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, один килограмм газообразного водорода стоит около 1 доллара за килограмм, но это только с учетом правительственных стимулов для использования водорода для производства электроэнергии. Без государственных стимулов стоимость водородных газовых ракет составит 4-5 долларов за килограмм.

К 2020 году Министерство энергетики считает, что стоимость водорода, используемого в FCEV, будет конкурентоспособной по стоимости за милю с топливом, используемым в других типах транспортных средств, таких как бензин в гибридных электромобилях.

Для решения этой проблемы в 2013 году Министерство энергетики совместно с автопроизводителями и другими заинтересованными сторонами в отрасли запустило партнерство h3USA, направленное на решение ключевых проблем водородной инфраструктуры.

h3USA призвана способствовать внедрению и широкому распространению электромобилей на топливных элементах по всей Америке.

Есть несколько методов создания водородного топлива. Наиболее распространенный из них включает преобразование пара в метан, когда высокотемпературный пар (1000 градусов Цельсия) вызывает реакцию с газообразным метаном в присутствии катализатора с образованием водорода, монооксида углерода и небольшого количества диоксида углерода.Двуокись углерода и другие примеси удаляются с помощью процесса, называемого «абсорбция при колебаниях давления», при этом остается чистый водород. Паровое преобразование также может использоваться с этанолом, пропаном или даже бензином для получения водорода.

Hyundai

Внедорожник Hyundai Tucson на топливных элементах 2016 года выпуска.

Паро-метановое преобразование чаще всего используется на нефтеперерабатывающих заводах, которые затем используют оставшийся водород для удаления примесей, таких как сера, из нефти и дизельного топлива.

h3 Водородный генератор Energy Renaissance был впервые разработан в 2009 году группой НИОКР во главе с соучредителем и президентом Джеком Аганяном. Компания заявила, что теперь он может производиться серийно и сможет питать не только легковые и грузовые автомобили FCEV, но также предприятия и дома.

При размещении в доме для производства электроэнергии 1 кВт / ч (киловатт-час или 1000 ватт) будет стоить от 5 до 7 центов, заявила компания. Сегодня, например, калифорнийцы платят около 20 центов за кВтч; в Европе и Японии 1 кВт / ч стоит от 20 до 30 центов.

Генератор h3 Energy Renaissance можно использовать на месте для электричества или в качестве источника топлива.Его можно поставить на автомобиль, автобус, грузовик, корабль, лодку или поезд или любой другой транспорт. Ее также можно использовать на заднем дворе дома, на ферме, на крыше здания, практически в любом месте, где требуется электричество,

«Технология готова к лицензированию сегодня», — сказал Гичунц. «Нам нужно продавать его для массового производства. Потребуется около года, чтобы начать массовое производство там, где мы сейчас находимся».

Авторские права © IDG Communications, Inc. , 2016.

Генераторы водородного газа | Генераторы водородного охлаждения

Преимущества использования водородного генератора

Водородный охлаждающий генератор обеспечивает безопасный, удобный и экономичный способ производства газообразного водорода, который неизменно чист и не содержит посторонних примесей. Системы производства водорода также дешевле в долгосрочной перспективе по сравнению с обычными поставками наливом. Поскольку нет необходимости в регулярных поставках грузовиков, генератор водородного газа также снижает углеродный след вашей лаборатории или склада.Некоторые дополнительные преимущества промышленных водородных генераторов:

• Экономичность
• Надежность
• Безопасность
• Экономия места
• Удобство
• Гибкость

Получение лучших результатов с производством водорода на месте

Практикующим лабораториям нужен носитель на газ они могут рассчитывать. Но запасы гелия, традиционно используемого в качестве газа-носителя для газовой хроматографии (ГХ), сокращаются во всем мире, что вынуждает лаборатории платить больше и рисковать пропустить доставку этого все более дефицитного газа.

Таким образом, многие лаборатории ищут более надежное и менее дорогое решение, чем гелий. Единственный газ-носитель, который может предложить более высокую надежность и более низкую стоимость, а также более быстрые результаты, — это водород, производимый на месте. Генератор водорода, использующий электролизер с протонообменной мембраной (PEM), будет безопасно и надежно производить бесконечный запас сверхчистого водорода за небольшую часть стоимости доставленного гелия.

Массовая доставка по сравнению с системами производства водорода

Водород подается одним из двух способов: объемная доставка водорода или получение водорода на месте посредством электролиза воды.Водород, который поставляется наливным способом, обычно поступает с крупных заводов по переработке природного газа и упаковывается в баллоны или трубчатые трейлеры для доставки.

Оптовые поставки были стандартным методом поиска на протяжении десятилетий и зарекомендовали себя как надежный источник водорода для лабораторных и производственных приложений. Однако водород, поставляемый наливом, подвержен загрязнению из множества источников, что может отрицательно повлиять на результаты анализа. Эти загрязняющие вещества должны быть уменьшены, чтобы обеспечить надлежащую работу аналитических инструментов для получения точных результатов.К ним могут относиться:

• Вода
• Кислород
• Углеводород
• Углекислый газ
• Азот

И наоборот, собственный водородный газогенератор может обеспечить годы круглосуточной службы, эффективно устраняя при этом все типы примесей внутри ваш водород. Опции для генератора газообразного водорода

Silpac предлагает широкий спектр систем производства водорода для удовлетворения ваших уникальных потребностей в производстве водорода. Варианты наших генераторов газообразного водорода описаны ниже:

• Серия S — В генераторах водорода серии S используется пакет ячеек с протонообменной мембраной (PEM) и технология PSA для производства сверхчистого водорода, равного 99. 999%. Модели S20 и S40 очень эффективны и используют технологию отслеживания нагрузки для определения спроса и соответствующей корректировки производства.
• Серия H — С учетом эффективности водородные газогенераторы серии H разработаны для определения спроса и соответствующей регулировки производства. Устраняя необходимость в трубчатых прицепах, генераторы водорода h3, h5 и H6 обеспечивают тихую и стабильную работу со значительной экономией места.
• Серия C — Эти генераторы спроектированы для обеспечения исключительной чистоты и определенности состава с минимальными требованиями к техническому обслуживанию.Генераторы водорода серии C — это тихие, надежные и компактные решения для любого объекта, использующего водород.
• M Series — Водородные охлаждающие генераторы серии M являются инновационными, новаторскими и позволяют интегрировать возобновляемые источники генерации, преобразовывать излишки электроэнергии в производство водорода и хранить этот водород в качестве энергии для будущего использования.
• Системы управления стабильным потоком водорода — Эти продукты позволяют электростанциям активно контролировать чистоту водорода, давление и точку росы внутри корпуса генератора.
• Контейнерные водородные системы — Крупномасштабные генераторы газообразного водорода основаны на конструкциях электролиза воды на основе PEM. Интегрированная модульная конструкция включает в себя дополнительное механическое сжатие, хранение и дозирование водорода.

Усовершенствованная технология генераторов водорода

В генераторах водорода Proton OnSite используется платиновый катализатор, а наша уникальная технология протонообменной мембраны (PEM) разделяет деионизированную воду на чистый водород и кислород.Каждый генератор производит газообразный водород сверхвысокой чистоты (чистота 99,999 +%) при давлении на выходе до 435 фунтов на кв. Дюйм (30 бар) и точке росы -85 ° F (-65 ° C).

Наши компактные водородные генераторы могут быть размещены на площадке генератора или в любом другом помещении, не входящем в классификацию производственных помещений. Уникальная конструкция позволяет водородному генератору практически не содержать накопленного водорода — даже при выработке газа со скоростью 1146 стандартных кубических футов в час — для удовлетворения ежедневных потребностей электростанций в водороде, независимо от их размера.

Наши системы производства водорода обеспечивают надежный и недорогой водород для охлаждения генераторов, что дает операторам электростанций привлекательную окупаемость инвестиций при одновременном повышении безопасности объекта, безопасности и производительности персонала.

Применение генераторов водородного газа

Генераторы водородного охлаждения и системы производства водорода обычно используются для широкого спектра применений во многих отраслях промышленности. В следующем списке приложений представлены некоторые из наиболее распространенных применений генераторов водорода.

Промышленное

По мере роста вашего бизнеса для удовлетворения производственных потребностей требуется все большее количество водорода. Это может вызвать проблемы, начиная от ограничений разрешений и ограничений по площади до увеличения затрат и проблем безопасности.Компактные водородные генераторы Proton OnSite просты в разрешении, установке и эксплуатации. При минимальных требованиях к техническому обслуживанию наши комплексные решения позволяют клиентам максимизировать гибкость бюджета и оптимизировать операционную эффективность.

Электростанции

Водород — эффективное охлаждающее средство в электрогенераторах. Однако электростанции должны поддерживать оптимальную чистоту газа и давление внутри кожуха генератора, чтобы обеспечить эффективность генерации, безопасность эксплуатации и надежность оборудования.Полностью автоматизированные решения Proton OnSite используют технологию PEM для выработки водорода, которая максимизирует мощность генератора, продлевает срок службы генератора и снижает общие эксплуатационные расходы.

Semiconductor

Поскольку газ-носитель высокой чистоты имеет решающее значение для поддержки полупроводниковых процессов, профессионалам требуется качественная, но экономичная подача газа. Устраняя внешние примеси, генераторы водорода Proton OnSite безопасно производят газ постоянной чистоты и гарантированного состава на месте, поддерживая высокие характеристики и продлевая срок службы очистителей палладия.Эти генераторы полностью исключают запасы и устраняют необходимость в хранении легковоспламеняющихся материалов, предоставляя вашему предприятию дополнительную гибкость в отношении разрешительных ограничений.

Метеорология

Благодаря своей низкой стоимости и надежности водород получил широкое распространение в качестве подъемного газа для замены гелия в метеорологических процессах. Водородные генераторы Proton OnSite, требующие только электричество и воду, безопасно и эффективно производят водород прямо на месте использования. Эти устройства хорошо подходят для различных погодных условий, где постоянные источники газа недоступны, и устраняют необходимость в хранении горючего газа под высоким давлением на месте.По сравнению с альтернативными методами поставки, системы PEM Proton OnSite требуют минимального обслуживания для максимального времени работы.

Термическая обработка

Водород обычно используется для создания восстановительной атмосферы при обработке материалов. По сравнению с подаваемым газом, диссоциированным аммиаком и экзо- или эндогазом, системы производства водорода PEM производят газ сверхвысокой чистоты и предлагают более сухую и безопасную альтернативу для поддержки эксплуатации. В сочетании с генерируемым азотом комплексные решения Proton OnSite устраняют необходимость доставки и хранения опасных газов.

Гидрирование

Процессы гидрогенизации, широко применяемые в нефтяной, пищевой, фармацевтической и химической промышленности, требуют готовых газовых решений, обеспечивающих безопасную, чистую и надежную подачу водорода в больших объемах. Системы производства газа Proton OnSite расширяются за счет модульной конструкции и могут обеспечивать практически неограниченное количество газа для удовлетворения растущих производственных потребностей. В отличие от традиционных SMR, системы PEM на 100% свободны от выбросов при интеграции с возобновляемыми источниками энергии, поддерживая устойчивость и экологические инициативы.

Свяжитесь с Silpac для получения усовершенствованных генераторов водородного охлаждения сегодня.

Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации о наших вариантах водородного газового генератора или запросите коммерческое предложение на промышленный водородный генератор сегодня.

Наноразмерный генератор водорода | Аргоннская национальная лаборатория

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) создали небольшой «генератор водорода», который использует свет и двумерную графеновую платформу для увеличения производства этого сложного в изготовлении элемента.

Исследование также выявило ранее неизвестное свойство графена. Двумерная цепочка атомов углерода не только дает и принимает электроны, но также может переносить их в другое вещество.

Водород находится практически повсюду на планете, но этот элемент обычно связан с другими элементами и должен быть отделен от кислорода в H ₂ O для получения свободного водорода. В промышленном процессе разделения природный газ используется для реакции с перегретым паром, чтобы удалить атомы водорода, производя водородное топливо, а также диоксид углерода — побочный продукт парникового газа, который улетучивается в атмосферу.

Генератор

Argonne на ранней стадии, состоящий из множества крошечных сборок, является доказательством того, что водород можно производить без сжигания ископаемого топлива. Чешуя небольшая, чуть меньше диаметра паучьего шелка. Расширение масштабов этого исследования в будущем может означать, что вы могли бы заменить газ в ваших автомобилях и генераторах водородом — более экологичный вариант, поскольку при сжигании водородного топлива выделяется только водяной пар.

«Многие исследователи ищут неорганические материалы в качестве новых источников энергии», — сказала Елена Рожкова, химик из Аргоннского центра наноразмерных материалов, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США (Управление фундаментальных энергетических наук). «Наша цель — учиться у мира природы и использовать его материалы в качестве строительных блоков для инноваций».

По мнению Рожковой, этот строительный блок основан на функции древнего белка, который, как известно, превращает свет в энергию. Исследователям давно известно, что некоторые одноклеточные организмы используют белок под названием бактериородопсин (bR) для поглощения солнечного света и прокачки протонов через мембрану, создавая форму химической энергии. Они также знают, что воду можно разделить на кислород и водород, объединив эти белки с диоксидом титана и платины, а затем подвергнув их воздействию ультрафиолета.

Есть только один недостаток: диоксид титана реагирует только в присутствии ультрафиолета, который составляет всего четыре процента всего солнечного спектра. Если бы исследователи хотели питать свои генераторы солнечным светом, им нужно было бы это улучшить.

Чтобы произвести большее количество водорода с помощью видимого света, исследователи искали новый материал. Новому материалу потребуется достаточная площадь поверхности для быстрого и равномерного перемещения электронов и повышения общей эффективности переноса электронов.Исследователям также нужна была платформа, на которой биологические компоненты, такие как bR, могли выжить и соединиться с катализатором из диоксида титана: короче говоря, такой материал, как графен.

Просвечивающее электронно-микроскопическое изображение пластин диоксида титана, покоящихся на почти невидимом листе графена. Предоставлено: Рожкова и др. al.

Графен — это сверхпрочный, сверхлегкий, почти полностью прозрачный слой атомов углерода и один из лучших проводников электричества, когда-либо обнаруженных. Своими удивительными свойствами графен обязан своей двумерности.

«Графен не только обладает всеми этими удивительными свойствами, но также является ультратонким и биологически инертным», — сказала Рожкова. «Само его присутствие позволило другим компонентам самостоятельно собраться вокруг него, что полностью меняет способ движения электронов в нашей системе».

Мини-генератор водорода

Рожковой работает следующим образом: и белок bR, и графеновая платформа поглощают видимый свет. Электроны в результате этой реакции передаются диоксиду титана, на котором закреплены эти два материала, что делает диоксид титана чувствительным к видимому свету.

Одновременно свет с зеленого конца солнечного спектра запускает белок bR, чтобы начать перекачивать протоны вдоль своей мембраны. Эти протоны направляются к наночастицам платины, которые находятся поверх диоксида титана. Водород образуется в результате взаимодействия протонов и электронов, когда они сходятся на платине.

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения дает более детальное изображение платиновых сфер, расположенных на поверхности диоксида титана.Фотоны из белка бактериородопсина (bR) и электроны солнечного света сливаются в месте расположения платины с образованием водорода. Предоставлено: Рожкова и др. al.

Исследования с использованием метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и спектроскопии с временным разрешением в Центре наноразмерных материалов подтвердили движение электронов внутри системы, а электрохимические исследования подтвердили перенос протонов. Тесты также выявили новую причуду поведения графена.

«Большинство исследований утверждают, что графен в основном проводит и принимает электроны», — сказал Аргоннский исследователь, получивший докторскую степень Пэн Ван.«Наши исследования с использованием ЭПР позволили нам экспериментально доказать, что графен также инжектирует электроны в другие материалы».

Водородный генератор Рожковой доказывает, что нанотехнологии в сочетании с биологией могут создавать новые источники чистой энергии. Открытие ее команды может предоставить будущим потребителям биологически вдохновленную альтернативу бензину.

«Это те открытия, которые мы можем сделать в Аргонне», — сказала Рожкова. «Работая в области фундаментальных энергетических наук, мы смогли продемонстрировать богатую энергией биологически вдохновленную альтернативу газу.”

Это исследование «Пути фотоиндуцированного переноса электрона в гибридном нанобиокатализаторе с восстановленным оксидом графена с выделением водорода» было опубликовано в выпуске ACS Nano от 7 июля. Исследование проводилось в Центре наноразмерных материалов при поддержке Управления науки Министерства энергетики США.

Аргоннская национальная лаборатория занимается поиском решений насущных национальных проблем в области науки и технологий. Аргонн — первая в стране национальная лаборатория, которая проводит передовые фундаментальные и прикладные научные исследования практически во всех научных дисциплинах.Исследователи Аргонны тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, федеральных, государственных и муниципальных агентств, чтобы помочь им решить их конкретные проблемы, продвинуть научное лидерство Америки и подготовить страну к лучшему будущему. Компания Argonne, в которой работают сотрудники из более чем 60 стран, находится под управлением UChicago Argonne, LLC для Управления науки Министерства энергетики США.

Центр наноразмерных материалов в Аргоннской национальной лаборатории является одним из пяти центров наноразмерных научных исследований Министерства энергетики США (NSRC), ведущих национальных пользовательских центров для междисциплинарных исследований в наномасштабе, поддерживаемых Управлением науки Министерства энергетики. Вместе NSRC составляют набор дополнительных объектов, которые предоставляют исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, определения характеристик и моделирования наноразмерных материалов и представляют собой крупнейшие инвестиции в инфраструктуру Национальной инициативы в области нанотехнологий. Центры NSRC расположены в Национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргонне, Брукхейвене, Лоуренсе Беркли, Ок-Ридже, Сандиа и Лос-Аламос. Для получения дополнительной информации о NSRC Министерства энергетики посетите веб-сайт Управления науки.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности. Для получения дополнительной информации посетите сайт sci ence .ener gy .gov.

Как работает генератор водорода?

Типы генераторов водорода

Генераторы водорода могут быть генераторами, работающими на водороде, или генераторами, производящими водород. Генератор, работающий на водороде, будет использовать газ или водородный топливный элемент для выработки электроэнергии для использования генератором.Генератор, производящий водород, будет делать это либо с помощью процесса электролиза или воды, либо путем извлечения и преобразования чистого водорода из химического вещества, богатого водородом, такого как боргидрид натрия, аммиак, метанол или бензин. Метод водного электролиза дает мало отходов, которые нужно утилизировать, f в то время как в процессе экстракции и реформирования образуются многочисленные побочные продукты, которые необходимо утилизировать или переработать с помощью какого-либо другого процесса.

Как это работает

Независимо от того, использует ли водородный генератор воду или извлекает и реформирует водород из других химикатов, основной принцип работы генератора остается неизменным.Исходная жидкость или химикат помещается в емкость с двумя металлическими пластинами. Затем пластины «заряжаются» (либо посредством подачи электричества, либо посредством химической реакции), в результате чего элементы источника разделяются на h3 и побочный продукт, который не используется генератором. Затем h3 удаляется из контейнера.

Текущие приложения

Многие водородные генераторы, использующие технологию электролиза воды, продаются населению как часть систем повышения топливной эффективности для установки в частных автомобилях.Генератор водорода сверхвысокой чистоты, работающий на системе электролиза воды, используется в медицинских и исследовательских областях для производства водорода высокой чистоты для газовой хроматографии и других целей. Генераторы экстракции и преобразования обычно используются на заправочных станциях для водородных автомобилей (они извлекают водород из природного газа, хранящегося на станциях) и в водородных топливных элементах, которые устанавливаются в гибридных транспортных средствах, которые объединяют элемент с обычным двигателем внутреннего сгорания.

Возможные области применения

Многие страны настойчиво развивают технологию генераторов водорода, поскольку они признают, что генераторы водорода могли бы радикально снизить количество токсичных выбросов в атмосферу, если бы системы были размещены во всех транспортных средствах, будь то водородные топливные элементы в гибридный автомобиль или в качестве дополнительной поддержки топливной экономичности в стандартном автомобиле, а водородные генераторы были добавлены в электрические сети их страны. Использование генераторов водорода в транспортных средствах могло бы резко снизить зависимость от ископаемого топлива. То, что водородный генератор можно легко построить из предметов повседневного обихода и производить достаточно электроэнергии и газа h3 для питания домов, транспортных средств и других приложений, может изменить характер мировой экономики, сделав электричество и мощность доступными и доступными для всех, независимо от того, установлен ли электрические сети. Как Управление энергетической информации правительства США, так и Национальный исследовательский совет Канады поддерживают веб-сайты для продвижения и документирования своих усилий, направленных на то, чтобы их технологии были полностью использованы в течение следующих 20 лет.Обе страны поддерживают исследования по раскрытию потенциальной способности водородного генератора «перерабатывать» химические вещества и использовать простую воду в качестве источника энергии и превращать ее в источник бесконечной возобновляемой электроэнергии.

Тепловой синергетический фотоэлектрохимический генератор водорода, работающий в условиях концентрированного солнечного излучения.

1.

Пальяро М., Констандопулос А. Г., Чириминна Р. и Палмизано Г. Солнечный водород: топливо ближайшего будущего. Energy Environ. Sci. 3 , 279–287 (2010).

Артикул Google ученый

2.

Pinaud, B.A. et al. Технико-экономическая целесообразность централизованного производства солнечного водорода методами фотокатализа и фотоэлектрохимии. Energy Environ. Sci. 6 , 1983–2002 (2013).

Артикул Google ученый

3.

Шэнер, М. Р., Этуотер, Х.А., Льюис, Н. С. и МакФарланд, Э. В. Сравнительный технико-экономический анализ производства возобновляемого водорода с использованием солнечной энергии. Energy Environ. Sci. 9 , 2354–2371 (2016).

Артикул Google ученый

4.

Dumortier, M., Tembhurne, S. & Haussener, S. Общие рекомендации по проектированию солнечного водорода с помощью фотоэлектрохимических методов. Energy Environ. Sci. 8 , 3614–3628 (2015).

Артикул Google ученый

5.

Peharz, G., Dimroth, F. & Wittstadt, U. Производство водорода на солнечной энергии путем разделения воды с эффективностью преобразования 18%. Внутр. J. Hydrogen Energy 32 , 3248–3252 (2007).

Артикул Google ученый

6.

Fallisch, A. et al. Исследование конструкции водородного электролизера PEM и компонентов солнечного водородного генератора HyCon. Внутр. J. Hydrogen Energy 42 , 13544–13553 (2017).

Артикул Google ученый

7.

Tembhurne, S. & Haussener, S. Интегрированные фотоэлектрохимические солнечные топливные генераторы при концентрированном облучении II. Управление температурным режимом является важнейшим фактором при проектировании. J. Electrochem. Soc. 163 , 999–1007 (2016).

Артикул Google ученый

8.

Бак Т., Новотны Дж., Рекас М. и Соррелл К. С. Фотоэлектрохимическое получение водорода из воды с использованием солнечной энергии. Аспекты, связанные с материалами. Внутр. J. Hydrogen Energy 27 , 991–1022 (2002).

Артикул Google ученый

9.

Chen, S. & Wang, L.-W. Термодинамические окислительные и восстановительные потенциалы фотокаталитических полупроводников в водном растворе. Chem. Mater. 24 , 3659–3666 (2012).

Артикул Google ученый

10.

Гретцель М. Фотоэлектрохимические элементы. Nature 414 , 338–344 (2001).

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 11.

Якобссон, Т. Дж., Фьеллстрём, В., Эдофф, М. и Эдвинссон, Т. Устойчивое производство водорода с помощью солнечной энергии: от фотоэлектрохимических элементов до фотоэлектрических электролизеров и обратно. Energy Environ.Sci. 7 , 2056–2070 (2014).

Артикул Google ученый

12.

Коэльо Б., Оливейра А. К. и Мендес А. Концентрированная солнечная энергия для возобновляемой электроэнергии и производства водорода из воды — обзор. Energy Environ. Sci. 3 , 1398–1405 (2010).

Артикул Google ученый

13.

Young, J. L. et al. Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью перевернутых метаморфических многопереходных полупроводниковых архитектур. Nat. Энергетика 2 , 17028 (2017).

Артикул Google ученый

14.

Хаселев О. и Тернер Дж. А. Монолитное фотоэлектрическо-фотоэлектрохимическое устройство для производства водорода путем расщепления воды. Наука 280 , 425–427 (1998).

Артикул Google ученый

15.

Nakamura, A. et al. Эффективность преобразования солнечной энергии в водородную — 24,4% за счет комбинации фотоэлектрических модулей концентратора и электрохимических элементов. Заявл. Phys. Экспресс 8 , 107101 (2015).

Артикул Google ученый

16.

Jia, J. et al. Разделение солнечной воды с помощью фотоэлектрического электролиза с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород более 30%. Nat. Commun. 7 , 13237 (2016).

Артикул Google ученый

17.

Bonke, S. A., Wiechen, M., MacFarlane, D. R.И Спичча, Л. Возобновляемые виды топлива от концентрированной солнечной энергии: к практическому искусственному фотосинтезу. Energy Environ. Sci. 8 , 2791–2796 (2015).

Артикул Google ученый

18.

Luo, J. et al. Фотолиз воды с эффективностью 12,3% с помощью перовскитных фотоэлектрических элементов и катализаторов, доступных на Земле. Наука 345 , 1593–1596 (2014).

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 19.

Fujii, K. et al. Характеристики образования водорода при расщеплении воды электрохимической ячейкой с полимерным электролитом, напрямую связанной с концентрированной фотоэлектрической ячейкой. Внутр. J. Hydrogen Energy 38 , 14424–14432 (2013).

Артикул Google ученый

20.

Chang, W. J. et al. Принцип построения и расчет потерь для системы фотоэлектрическая электролизер. ACS Omega 2 , 1009–1018 (2017).

Артикул Google ученый

21.

Fallisch, A. et al. Демонстрационный модуль концентратора водорода с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород 19,8% в соответствии с более высокой теплотворной способностью. Внутр. J. Hydrogen Energy 42 , 26804–26815 (2017).

Артикул Google ученый

22.

Tembhurne, S. & Haussener, S. Интегрированные фотоэлектрохимические генераторы на солнечном топливе при концентрированном облучении I.Двухмерное неизотермическое мультифизическое моделирование. J. Electrochem. Soc. 163 , 988–998 (2016).

Артикул Google ученый

23.

Walter, M. G. et al. Солнечные водоразделительные элементы. Chem. Ред. 110 , 6446–6473 (2010).

Артикул Google ученый

24.

Фонтейн, К. Т., Леверенц, Х. З. и Этуотер, Х. А. Пределы эффективности для фотоэлектрохимического расщепления воды. Nat. Commun. 7 , 13706 (2016).

Артикул Google ученый

25.

Shockley, W. & Queisser, H.J. Детальный баланс балансового предела эффективности p — n солнечных элементов. J. Appl. Phys. 32 , 510–519 (1961).

Артикул Google ученый

26.

Рошело, Р. Э. и Миллер, Э.Л. Фотоэлектрохимическое производство водорода: анализ технических потерь. Внутр. J. Hydrogen Energy 22 , 771–782 (1997).

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 27.

Haussener, S., Hu, S., Xiang, C., Weber, A. Z. & Lewis, N. S. Моделирование радиационной и температурной зависимости эффективности тандемных фотоэлектрохимических систем разделения воды. Energy Environ. Sci. 6 , 3605–3618 (2013).

Артикул Google ученый

28.

Агер, Дж. У., Шанер, М. Р., Вальчак, К. А., Шарп, И. Д. и Ардо, С. Экспериментальные демонстрации спонтанного фотоэлектрохимического расщепления воды под действием солнечной энергии. Energy Environ. Sci. 8 , 2811–2824 (2015).

Артикул Google ученый

29.

Schüttauf, J.-W. и другие. Производство водорода из солнечной энергии в 14.Эффективность 2% с кремниевыми фотоэлектрическими элементами и электрокатализаторами, доступными на Земле. J. Electrochem. Soc. 163 , F1177 – F1181 (2016).

Артикул Google ученый

30.

Verlage, E. et al. Монолитно интегрированная, искробезопасная, 10% эффективная водоразделительная система на солнечной энергии, основанная на активных, стабильных земных электрокатализаторах в сочетании с тандемными поглотителями света III – V, защищенными аморфными пленками TiO ₂ . Energy Environ. Sci. 8 , 3166–3172 (2015).

Артикул Google ученый

31.

Sun, K. et al. Стабилизированная, искробезопасная, 10% эффективная водоразделительная ячейка с приводом от солнечной энергии, включающая в себя электрокатализаторы, доступные на Земле, с постоянным градиентом pH и разделением продуктов, обеспечиваемым биполярной мембраной. Adv. Energy Mater. 6 , 1600379 (2016).

Артикул Google ученый

32.

Heremans, G. et al. Производство водорода на солнечной энергии из паров с эффективностью более 15% с использованием распространенных на Земле катализаторов и анионообменной мембраны. Sustain. Энергетическое топливо 1 , 2061–2065 (2017).

Артикул Google ученый

33.

Cheng, W.H. et al. Монолитный фотоэлектрохимический аппарат для прямого разделения воды с эффективностью 19%. ACS Energy Lett. 3 , 1795–1800 (2018).

Артикул Google ученый

34.

Coridan, R.H. et al. Методы сравнения производительности систем преобразования энергии для использования в солнечном топливе и производстве солнечной электроэнергии. Energy Environ. Sci. 8 , 2886–2901 (2015).

Артикул Google ученый

35.

May, M. M. et al. Об испытаниях многопереходных фотоэлектрохимических топливопроизводящих устройств.Поддерживать. Energy Fuels 1 , 492–503 (2017).

Google ученый

36.

Samms, S. R., Wasmus, S. & Savinell, R. F. Термическая стабильность Nafion® в смоделированных средах топливных элементов. J. Electrochem. Soc. 143 , 1498–1504 (1996).

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 37.

Малиш, Дж., Мазур, П., Пайдар, М., Быстрон, Т.& Bouzek, K. Nafion 117 стабильность в условиях электролиза воды PEM при повышенных температуре и давлении. Внутр. J. Hydrogen Energy 41 , 2177–2188 (2016).

Артикул Google ученый

38.

Sone, Y., Ekdunge, P. & Simonsson, D. Протонная проводимость Nafion 117, измеренная методом четырехэлектродного импеданса переменного тока. J. Electrochem. Soc. 143 , 1254–1259 (1996).

Артикул Google ученый

39.

Rozain, C. & Millet, P. Электрохимическая характеристика ячеек для электролиза воды с мембраной из полимерного электролита. Электрохим. Acta 131 , 160–167 (2005).

Артикул Google ученый

40.

Cheng, Y. & Ping Jiang, S. Достижения в области электрокатализаторов для реакции выделения кислорода при электролизе воды — от оксидов металлов до углеродных нанотрубок. Прог. Nat. Sci. Mater. Int. 25 , 545–553 (2015).

Артикул Google ученый

41.

Fabbri, E., Habereder, A., Waltar, K., Kötz, R. & Schmidt, T. J. Развитие и перспективы катализаторов на основе оксидов для реакции выделения кислорода. Catal. Sci. Technol. 4 , 3800–3821 (2014).

Артикул Google ученый

42.

Сапунци, Ф. М., Грасиа, Дж. М., Вестстрат, К.-Дж., Фредрикссон, Х. О., Нимантсвердриет, Х. Электрокатализаторы для получения водорода, кислорода и синтез-газа. Прог. Энергия сгорания. Sci. 58 , 1–35 (2017).

Артикул Google ученый

43.

Кармо, М., Фриц, Д. Л., Мергель, Дж. И Столтен, Д. Всесторонний обзор электролиза воды на основе ПЭМ. Внутр. J. Hydrogen Energy 38 , 4901–4934 (2013).

Артикул Google ученый

44.

Siefer, G. & Bett, A. W. Анализ температурных коэффициентов для многопереходных концентрационных ячеек III – V. Прог. Фотовольт. Res. Appl. 22 , 515–524 (2014).

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 45.

Сингх П. и Равиндра Н. М. Температурная зависимость характеристик солнечных элементов — анализ. Sol. Energy Mater. Sol. Ячейки 101 , 36–45 (2012).

Артикул Google ученый

46.

Дёшер, Х., Гейс, Дж. Ф., Дойч, Т. Г. и Тернер, Дж. А. Поглощение солнечного света в воде — эффективность и конструктивные последствия для фотоэлектрохимических устройств. Energy Environ. Sci. 7 , 2951–2956 (2014).

Артикул Google ученый

47.

Zhu, L., Boehm, R.F., Wang, Y., Halford, C. & Sun, Y. Водно-иммерсионное охлаждение фотоэлементов в системе с высокой концентрацией. Sol. Energy Mater. Sol. Ячейки 95 , 538–545 (2011).

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 48.

Wang, Y. et al. Производительность кремниевых солнечных элементов, работающих в жидкостях. Заявл. Энергия 86 , 1037–1042 (2009).

Артикул Google ученый

49.

Хан, X., Ван, Q., Zheng, J. & Qu, J. Термический анализ прямого погруженного в жидкость солнечного приемника для фотоэлектрических систем с высокой концентрацией. Внутр. J. Photoenergy 2015 , 321350 (2015).

Артикул Google ученый

50.

Ройн, ​​А., Дей, К. Дж. И Миллс, Д. Р. Охлаждение фотоэлектрических элементов при концентрированном освещении: критический обзор. Sol. Energy Mater. Sol. Ячейки 86 , 451–483 (2005).

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 51.

Zawodzinski, T.A. et al. Поглощение воды и транспортировка через мембраны Nafion® 117. J. Electrochem. Soc. 140 , 1041–1047 (1993).

Артикул Google ученый

52.

Levêque, G., Bader, R., Lipiński, W. & Haussener, S. Экспериментальные и численные характеристики нового многопоточного солнечного симулятора _el мощностью 45 кВт с большим потоком. Опт. Экспресс 24 , 1360–1373 (2016).

Артикул Google ученый

53.

Дугария, С., Падован, А., Сабателли, В. и Дел Кол, Д. Оценка методов оценки ресурса DNI в солнечных концентрирующих системах. Sol. Энергия 121 , 103–115 (2015).

Артикул Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 54.

Licht, S. et al. Эффективное расщепление воды в солнечной энергии на примере фотоэлектролиза AlGaAs / Si, катализируемого RuO ₂ . J. Phys. Chem. B 104 , 8920–8924 (2000).

Артикул Google ученый

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

Это странный химический поворот в том, что топливо встроено в самое обычное вещество на Земле: воду.

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, поэтому 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 или единственный человек, поставивший эту цель. 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 видит в своих продуктах нечто большее: способ использовать водород для немедленного уменьшения загрязнения при одновременном увеличении и снижении 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 умная технология. 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. «Они действительно могут изменить мир сейчас», — говорит он.Главное — это в первую очередь дизельные двигатели. Их миллионы, они грязные и дорогие, и политики настаивают на их очистке. 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 какой-то вид безуглеродного, пригодного для хранения, горючего топлива является если не , то необходимым для полной декарбонизации энергетической системы, 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 декарбонизации 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 должен храниться либо путем его сжатия в виде газа с помощью больших насосов, либо путем (слабого) связывания его с чем-то еще и хранения 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 может быть возвращено 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-го века, двигатели и топливные элементы, работающие на водороде, существуют примерно с 19-го, а водород прошел через многочисленные циклы ажиотажа, вплоть до 21-го века. — разрекламированная «водородная экономика» так и не получила широкого распространения.

Вы не видите таких много вокруг. 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 обезуглерожить энергетическую систему в течение столетия.Это вызвало интенсивные исследования инструментов, необходимых для создания системы с нулевым выбросом углерода.

Мы знаем, как производить электроэнергию с нулевым выбросом углерода (возобновляемые источники, гидроэнергетика, атомная энергия), поэтому один из ключевых шагов в декарбонизации — «электрифицировать все» или, по крайней мере, использовать как можно больше энергии.

Но масштабная 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 могут быть заменены 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 от долгосрочных 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 наблюдается «возрождение водородной активности во всем мире», — 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 солнечной и ветровой энергии».

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, с исходными материалами, заказанными через Интернет, — цена пошла вниз. Не знаю почему.”

Джонсон — высокий, худощавый блондин, заядлый мастер 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 его к водородной ошибке. 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»

Это 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 с дистиллированной водой. Примерно в центре подвешена небольшая титановая пластина, покрытая специальной смесью электрокатализаторов, оптимизированных для разделения водорода и кислорода.Газы поднимаются от пластины непрерывным потоком пузырьков. Он полностью герметичен, 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 аналогичными габаритами, используя примерно треть электрического тока. Это означает 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».

А 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 помощи при внутреннем сгорании (ICA), модификация двигателей внутреннего сгорания, которая позволяет им значительно повысить эффективность использования топлива 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, генерируя больше энергии и меньше загрязнений.

Система ICA может технически работать на любом двигателе 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, грузовые автофургоны, автобусы и вилочные погрузчики, а также большие стационарные дизельные генераторы, которые по-прежнему обеспечивают резервное (и даже основное) питание миллионов людей по всему миру.

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 твердые частицы, дороги, требуют технического обслуживания и должны часто заменяться. Жидкости для избирательного каталитического восстановления (SCR), добавляемые в выхлопные газы для удаления NOx, сами по себе являются загрязнителями, и их необходимо часто менять.

Короче говоря, есть 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, снизить содержание твердых частиц на 85 процентов и сократить выбросы NOx на 50–90 процентов. В сочетании 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 струйки HHO в цилиндр именно тогда, когда это необходимо.

Такой уровень точности позволяет ICA использовать гораздо меньше водорода, чем его конкуренты, гораздо более эффективно. Небольшого бортового электролизера 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 уменьшить загрязнение почти до нуля, с окупаемостью за девять месяцев — возможностей не будет конца. Компания оценивает рынок очистных работ в 100 миллиардов долларов, включая портовые грузовики, грузовые суда, рефрижераторы, грузовики дальнего следования, автобусы, генераторы и все другие грязные дизельные двигатели.

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, работающий 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 (начиная с, кхм, 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 автомобиля.(Это делает электролизер протонообменной мембраной или PEM, электролизером, вариант, знакомый любителям водорода.)

По обыкновению, Джонсон разработал 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 (такие как 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 заполненный им 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 обеспечивают.)

Джонсон думает, что решил обе проблемы. Он не раскрывает подробностей о задействованных гидридах, 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 отработанное 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 накопление гидридов означает, что в результате модернизации Hy-Tech будет создан автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEV) со средней дальностью полета 300 миль, сравнимый 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.

Инфраструктуры для поддержки такой быстрой дозаправки пока не существует, 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 насос.

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 автомобиля 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 масштаба 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 — на самом деле, мы будем искать способы не тратить их зря.

Одна из все более популярных идей — «энергия в газ», то есть преобразование этой избыточной энергии в водород и его хранение. «Водород — это, вероятно, самое простое, что можно сделать, когда цены на электроэнергию низкие», — говорит Вебер.

Часть этого водорода может быть закачана в существующие газопроводы, что снижает 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 — прекрасная потенциальная возможность 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.

Некоторая плохая картина, иллюстрирующая 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 достаточно слабую гидридную связь, 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 построил свою систему по модулям: она содержит стопки небольших электролизеров и топливных элементов, которые можно вводить в эксплуатацию 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 разрушаются. (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 действительно 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

Какова бы ни была судьба HyTech, потребность в водороде приведет к инновациям

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 которым 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, удалось ли им это.

В любом случае, по мере того, как стремление к созданию устойчивой энергетической системы всерьез 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 достичь нескольких ступенчатых успехов в водородной технологии, совершая покупки в Интернете и возясь в своей лаборатории, скоро другие сделают то же самое.А по мере выхода продуктов на рынок масштабирование приведет к снижению затрат, как это произошло с ветровой и солнечной энергией.

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

.