Як зробити водневий генератор в домашніх умовах

Всі види палива стрімко дорожчають, тому зростає інтерес до альтернативних енергоносіїв, які мають бути дешевшими. Наприклад, водень, що при спалюванні виділяє близько 38.8 кВт/кг (метан – лише 13.8 кВт/кг). Начебто, все просто: потрібно зробити водневий генератор, він розщеплюватиме воду методом електролізу і забезпечить нас висококалорійним паливом.

Питання набагато складніше, ніж здається. Інакше б водневі котли та двигуни зустрічались на кожному кроці, а природний газ і бензин пішли в небуття. Оскільки цього не сталося, пропонуємо розглянути 2 проблеми:

• як скласти простий генератор водню своїми руками в домашніх умовах;
• чи можна користатися водневою установкою в побуті – для опалення будинку, зварювання металу чи заправки автомобіля.

Зміст публікації:

Коротко про властивості водню

Латинська назва водню – hydrogen (гідроген). Це найлегший газ з усіх існуючих речовин, тому займає перше місце в таблиці Менделєєва. Головна властивість речовини – висока хімічна активність, що спонукає її вступати в реакцію з багатьма елементами.

Нас цікавить реакція окислення гідрогену, тобто горіння. Вона протікає з виділенням значного обсягу теплоти, результатом є звичайна вода. Перелічимо інші властивості водню:

1. При спалюванні гідрогену не утворюється ніяких шкідливих або токсичних сполук, тільки вода. Отже, реакція окислення водню є бездоганною з точки зору екології.
2. З одного боку, запаси речовини на нашій планеті величезні. З іншого боку, водень зустрічається лише в складі різних речовин, найбільша частка – у воді. У вільному стані гідроген існує тільки в космосі.
3. У промисловості використовується хімічний видобуток елемента. Горючий газ виділяється під час піролізу вуглеводневих органічних матеріалів – кам’яного чи бурого вугілля, відходів деревини, відпрацьованих шин та інших.
4. Другий метод видобування гідрогену – електроліз. Вода розкладається на водень і кисень за допомогою електроенергії, для пришвидшення використовуються недешеві каталізатори (платина, різноманітні сплави).
5. Суміш водню з киснем легко вибухає, вивільняючи за долі секунди багато енергії. Достатньо найменшої іскри.

Довідка. Через здатність вибухати вчені минулих століть дали газовій суміші кисень + водень іншу назву – гримучий газ та позначили гіпотетичною формулою HHO.

Знаходячись у вільному стані, 2 атоми hydrogen охоче об’єднуються з одним атомом oxygen, на виході маємо молекулу води і теплоту. Формула хімічної реакції виглядає так:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + Q (Q – це теплова енергія)

Окислення відбувається мимовільно, без зайвих витрат енергії. Щоб реакція розпочалася, досить підпалити газову суміш. А от зворотній процес розділення води запустити доволі проблематично, без додавання енергії зовні – неможливо. Це показує і формула:

2H₂O → 2H₂ + O₂ — Q

Тут маємо на увазі розкладання води за рахунок електролізу у генераторі водню. Як зробити водневу установку своїми руками, читаємо далі.

Найпростіший генератор гідрогену

Якщо у вас немає досвіду з видобутку водню, пропонуємо скласти примітивну модель водневого генератора, зображеного на схемі. Процес складання та запуска установки допоможе розібратися в нюансах цієї нелегкої справи.

Досвідний макет електролізера складається з таких частин:

• реактор – прозора посудина, зроблена з товстого скла чи пластика;
• занурювальні електроди з нержавіючої сталі, під’єднані до лінії живлення (акумулятора);
• трубка, що відводить з реактора газову суміш кисень + водень;
• гідравлічний затвор – ще одна ємність, куди направляється трубка з газом.

Важливий нюанс. Для роботи електролітичного приладу потрібен постійний струм. Його можна отримати від акумуляторної батареї, зарядного пристрою для авто чи адаптера. Зрозуміло, що звичайний генератор змінної напруги для живлення не годиться.

За яким принципом діє електролізер:

1. Два нержавіючі електроди підключаються до джерела струму і занурюються у ємність з водою, яка герметично закривається. Щоб пришвидшити хімічне ділення, можна додати невелику частку лугу чи кислоти, простіший варіант – столова сіль.
2. Коли ланцюг замкнеться, у воді почнеться процес електролізу. Біля анода, під’єднаного до позитивного контакту, виділятиметься кисень, поряд з катодом – водень.
3. Гази змішуватимуться у просторі під кришкою. За рахунок невеличкого тиску суміш надійде до гідравлічного затвору, де відділиться побічний продукт – водяна пара. Також друга ємність оберігає реактор від зворотного удару в разі спалаху водню.
4. Від затвора гримуча суміш направляється безпосередньо до пальника.

Щоб самотужки скласти зображений на схемі водневий генератор, знадобляться дві скляні пляшки, 20 шурупів та медичний комплект для внутрішньовенного введення ліків (крапельниця). Пляшки повинні мати широкі горловини з кришками, як показані на фото.

Як зробити просту модель генератора водню:

1. Дві дерев’яні лінійки скріпіть між собою шурупами, закручуючи їх з різних боків.
2. За допомогою пайки з’єднайте головки шурупів дротами – це і будуть електроди.
3. Розріжте навпіл колбу крапельниці і вставте в отвір, зроблений у кришці пляшки. Щоб газ не просочувався назовні, щілини треба заповнити герметиком або пластиком з клейового пістолета.
4. Блок електродів просуньте у ємність, щільно закрутіть кришку.
5. Змайструйте водяний затвор – герметично введіть у другу пляшку 2 трубки. Перша має опускатися до дна, кінець іншої лишається під кришкою.

Щоб запустити саморобний водневий генератор, заповніть реактор підсоленим розчином, гідрозатвор – чистою водою. Під’єднайте дроти, подайте струм. Якщо установка змонтована правильно, ви побачите бульбашки газів спочатку в реакторі, потім у другій пляшці. Піднесіть запальничку до голки на кінці трубки – там має з’явитися синє полум’я.

Порада. Напругу живлення краще регулювати автотрансформатором чи іншим засобом. Чим вища напруга подається на електроди, тим сильніше вода нагрівається і просто випаровується, а не розщеплюється. Водяна пара не дозволить розпалити гримучу суміш. Як своїми руками складається водневий міні-генератор, демонструється на відео.

Про водневий елемент Мейера

З попереднього експеримента зрозуміло, що для практичного застосування потрібна більш потужна установка. Маленький синій вогник на кінці голки свідчить про невелику кількість виробленого водню. Для отримання значного об’єму гримучої суміші треба зробити інший генератор – водневу ячею Стенлі Мейера (названа за ім’ям винахідника).

Апарат теж працює за принципом електролізу, тільки занурювальні електроди зроблені за технологією «трубка в трубці». Друга відмінність: до аноду і катоду направляється струм у вигляді імпульсів, що проходять через 2 резонансні котушки. Нижче наведена електронна схема імпульсного генератора для ячеї Мейера.

Примітка. Принцип роботи цієї схеми докладно описується на спеціалізованому ресурсі за посиланням http://www.meanders.ru/meiers8.shtml.

Щоб самому виготовити елемент Мейера для виробництва водню, треба приготувати наступні матеріали:

• для корпусу підійде прозорий водопровідний фільтр циліндричної форми, зроблений з товстого пластика;
• нержавіючі трубки для електродів Ø15 і Ø20 мм, 97 мм завдовжки;
• мідні електричні кабелі, ізоляційний матеріал (наприклад, склотекстоліт).

Трубки вставляються одна в одну та прикріплюються до текстолітових кілець. Дроти від імпульсного генератора треба припаяти до торців. Зазвичай умільці встановлюють у корпус фільтру 9 чи 11 пар нержавіючих трубок, як зроблено на фото.

Деталі водневого імпульсного генератора з’єднуються за стандартною схемою, що показана нижче на малюнку. Блок електроніки підключається безпосередньо до ячеї Мейера, суміш газів виводиться через гідравлічний затвор (так званий баблер). Схема включає елементи безпеки – датчик рівня рідини та максимального тиску у реакторі.

Довідка. Якщо зібрати докупи відгуки ентузіастів, котрі вже випробували цей пристрій та вивести якусь середню цифру, отримаємо досить суперечливі дані. Генератор водню Мейера працює від напруги 12 вольт, струм в ланцюзі не перевищує 1 ампера, тобто, споживана потужність становить 12 х 1 = 12 Вт. Точних показників продуктивності немає.

Реактор підвищеної продуктивності з пластин

Щоб подати до газового пальника достатню кількість палива, треба використовувати високопродуктивний водневий генератор. Реактор такої установки складається з 30…70 електродів – пластин розмірами 150 х 100 мм, зроблених з нержавійки.

По 4 кутках кожної пластини просвердлені отвори для стягування усіх елементів в єдиний блок на шпильках. На одній грані електроду передбачений контакт для під’єднання електричного дроту.

Для виготовлення водневого реактора знадобиться листова нержавіюча сталь марки AISI-316 (чи подібна) та інші матеріали:

• хімічно стійка гума 4 мм завтовшки;
• діелектричні пластини з пластика чи склотекстоліту;
• шпильки з метричною різьбою М10…14 (залежно від довжини блока);
• клапан безпеки зворотний, що використовується у апаратах газового зварювання;
• корпус водяного фільтра для виготовлення гідро-затвору;
• з’єднувальні труби – краще гофрована нержавійка;
• порошок гідроокису калію.

Як складається реактор водню, зображено на кресленні. Зі сталі вирізуються пласкі електроди, які потім скручуються докупи шпильками. Між ними встановлюються ізолюючі прокладки з гуми, крайні пластини робляться з пластмаси або оргскла. Отриманий елемент приєднуємо до труб, що подають електроліт з окремого резервуару.

Примітка. Зараз мова йде про електролізер сухого типу, який не занурюється в ємність. Вода рухається між пластинами і одночасно розкладається на гази під впливом струму. Гума не дозволяє рідині витікати назовні.

Непроточний (занурювальний) реактор зробити дещо простіше, та й продуктивність отримаємо вищу. Скручуємо пластини через діелектричні шайби, прокладки не ставимо зовсім. Алгоритм виготовлення той самий, але з деякими відмінностями:

1. Апарат має ємність для приготування електролітичного розчину, що складається з 7–15% гідроксиду калію і 85–93% води.
2. У «баблері» немає води. Резервуар заповнюється розкислювачем – ацетоном чи будь-яким неорганічним розчинником.
3. У схемі присутній зворотний клапан – він розташований на газовій трубці перед пальником. Цей елемент оберігає паливні трубопроводи і «баблер» від вибуху при зворотному ударі. Це явище може виникнути у разі плавного відімкнення пальника – тиск газу знижується і полум’я проникає в трубу.

Джерелом живлення реактора може служити інвертор зварювального апарата. Рішення позбавляє від складання електронної схеми та дозволяє регулювати струм. Будова такого генератора водню детально описується у відео:

Чи доцільно видобувати водень для домашніх потреб

Щоб отримати адекватну відповідь, треба визначитися зі сферою застосування горючої суміші HHO. В інтернеті опубліковано багато креслень та схем генераторів водню, призначених задовільнити наступні потреби:

• для водневих двигунів автомобілів;
• опалення приватного будинку;
• для виконання зварювальних робіт.

Примітка. Кількість і різноманітність схем в інтернеті вражає. Та всі ці установки використовують однаковий принцип роботи і є по суті електролізерами.

Водень – найкалорійніше нешкідливе паливо у світі. Але ці переваги нівелюються витратами електроенергії на видобуток газу. Що б не казали на цю тему ентузіасти-любителі, ефективність електролізерів не перевищує 50%. Тобто, на отримання 1кВт енергії від гідрогену витрачається 2 кВт електрики, це геть невигідно.

Пояснімо, куди дівається електроенергія. Хімічно активний водень утворює дуже стійку сполуку з киснем – воду. Щоб її зруйнувати, треба підвести енергію безпосередньо до молекул. Оскільки це неможливо, ми намагаємось скористатися хімічним розщепленням – електролізом. Тоді половина енергії втрачається разом з теплом – гріються електроди, обмотки трансформаторів, сам розчин.

Зважте ще на один момент. Hydrogen – найлегший газ у світі. Якщо рахувати його калорійність не за масою, а об’ємом, отримаємо зовсім інший результат. Для порівняння: 1 м³ метану містить близько 11 кВт теплоти, куб водню – тільки 3.6 кВт. Щоб отримати однакову кількість енергії, треба спалити втричі більше гідрогену (за об’ємом).

Тепер спробуємо прилаштувати газову суміш HHO з саморобного електролізера під вказані вище потреби. Що виходить:

1. Автомобільне паливо рахується в одиницях об’єму – літрах. Отже, заміною 1 л бензину стане 4766 л гідрогену чи 7150 л гримучої суміші газів (тому що 1/3 об’єму – це кисень). Спробуйте зробити апарат такої продуктивності та притулити його до автомобіля – доведеться їздити з причепом.
2. Опалювати будинок воднем – справа клопітна й невигідна з 3 причин. Це вартість установки, низький ККД та небезпечна експлуатація (пам’ятаємо, гримуча суміш добре вибухає). Є простіший і ефективніший спосіб – встановити звичайний електрокотел.
3. Водневий пальник швидко прогріватиме будь-який метал, оскільки температура полум’я сягає 3000 градусів. Сам апарат компактніший за кисневі чи ацетиленові балони. ККД електролізера тут не настільки важливий, тому для зварювання цей варіант годиться.

Доповнення. Просто так палити водень у звичайному газовому котлі не вийде. Доведеться переробляти теплообмінник та пальник під іншу робочу температуру, інакше метал розплавиться.

Заключний висновок

Отже, зроблений своїми руками водневий генератор може пригодитися лише для 2 цілей – щоб експериментувати або зварювати метал. Інші потреби задовільнити не вдасться. Навіть якщо повірити у високу ефективність електролізера (що є неправда), на опалення банально не вистачить газу через низьку продуктивність апарата. Інтегрувати ж генератор водню у автомобіль досить складно і небезпечно.