Как сделать электролизер для получения водорода своими руками: пошаговая инструкция

Как собрать электролизер воды в домашних условиях. Какие детали нужны для самодельного генератора водорода. Пошаговая инструкция по сборке электролизера PEM. Преимущества и недостатки разных типов электролизеров.

Необходимые детали для сборки электролизера PEM

Для изготовления самодельного электролизера с протонообменной мембраной (PEM) потребуются следующие компоненты:

• Пластины из алюминиевого сплава для корпуса
• Изолирующие прокладки
• Электродные пластины из титанового сплава
• Титановая сетка
• Силиконовые прокладки
• Микропластины
• Протонообменная мембрана (например, DuPont N117)
• Крепежные винты, гайки, шайбы
• Соединители для газовых трубок

Важно использовать качественные коррозионностойкие материалы, так как электролизер будет работать в агрессивной среде.

Пошаговая инструкция по сборке электролизера PEM

Процесс сборки электролизера с протонообменной мембраной состоит из следующих основных этапов:

1. Подготовка всех необходимых деталей
2. Сборка корпуса из алюминиевых пластин
3. Установка изолирующих прокладок
4. Монтаж электродных пластин из титана
5. Укладка силиконовых прокладок
6. Размещение титановой сетки
7. Установка микропластин
8. Монтаж протонообменной мембраны
9. Сборка многослойной конструкции
10. Окончательная сборка корпуса
11. Установка газовых соединений

При сборке важно соблюдать правильную последовательность и аккуратно обращаться с хрупкими компонентами, особенно с мембраной.

Проверка и запуск самодельного электролизера

После сборки необходимо выполнить следующие проверки:

• Измерить сопротивление между электродами и корпусом
• Проверить на отсутствие коротких замыканий
• Подключить электропитание и проверить работу
• Подсоединить водяной насос и газовые трубки
• Заполнить систему очищенной водой
• Включить устройство и проконтролировать выделение водорода и кислорода
• Измерить напряжение и ток
• Проверить отсутствие утечек воды

Только после успешного прохождения всех проверок электролизер можно считать готовым к эксплуатации.

Преимущества электролизеров PEM перед щелочными

Электролизеры с протонообменной мембраной имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными щелочными системами:

• Более высокая эффективность (до 85% против 70-80%)
• Компактные размеры
• Быстрый запуск и остановка
• Работа при высоких плотностях тока
• Получение чистого водорода без примесей
• Возможность работы при переменных нагрузках
• Простота обслуживания

Основным недостатком PEM-электролизеров является их более высокая стоимость из-за использования дорогих материалов (платина, иридий).

Перспективы развития технологии электролизеров

Ведущие компании и научные центры работают над совершенствованием технологии PEM-электролизеров:

• Увеличение производительности до 5,3 м2 мембран за 10 минут
• Снижение энергопотребления до 40 кВтч/кг водорода
• Повышение КПД до 82% и выше
• Снижение капитальных затрат до 400 евро на 1 т/год
• Разработка безплатиновых катализаторов
• Создание более долговечных и дешевых мембран

Это позволит значительно удешевить производство «зеленого» водорода методом электролиза воды.

Области применения водорода, полученного электролизом

Водород, произведенный с помощью электролизеров, может использоваться в различных сферах:

• Транспорт на топливных элементах
• Химическая промышленность
• Металлургия
• Пищевая промышленность
• Электронная промышленность
• Энергетика (хранение энергии)
• Космическая отрасль
• Нефтепереработка

По мере удешевления технологии электролиза сфера применения «зеленого» водорода будет расширяться.

Меры безопасности при работе с самодельным электролизером

При изготовлении и эксплуатации электролизера необходимо соблюдать следующие правила безопасности:

• Работать только в хорошо вентилируемом помещении
• Не допускать утечек водорода
• Исключить возможность искрообразования вблизи установки
• Использовать качественные изолирующие материалы
• Не превышать допустимые значения тока и напряжения
• Регулярно проверять герметичность соединений
• Иметь средства пожаротушения

Водород взрывоопасен, поэтому при работе с электролизером требуется предельная осторожность.

Электролизер своими руками — советы по изготовлению

В свое время с помощью электролиза из расплавов солей удалось впервые выделить чистые калий, натрий и многие другие металлы.

Сегодня этот процесс применяют и в быту – для «добычи» водорода из воды. Технология более чем доступна, ведь прибор для электролиза воды представляет собой всего лишь контейнер с раствором соды, в который погружены электроды.

Далее мы посмотрим, как делается электролизер для получения водорода своими руками из доступных деталей дома и какие разновидности этого прибора научились делать домашние умельцы.

Содержание

• 1 Модель с двумя фильтрами
• 2 Устройство с верхним расположением контейнера
• 3 Модель с нижним расположением контейнера
• 4 Устройство с двумя клапанами
• 5 Модели на три клапана
• 6 Устройство с оцинкованной платой
• 7 Модель с оргстеклом
• 8 Модель на электродах
• 9 Применение пластиковых прокладок
• 10 Модель на две контактные клеммы
• 11 Схематическое представление
• 12 Заключение
• 13 Видео на тему

Модель с двумя фильтрами

Электродами служат небольшие квадратные листы, вырезанные из оцинкованной стали или, лучше, из нержавейки марки 03Х16Н15М3 (AISI 316L). Обычная сталь будет очень быстро «съедена» электрохимической коррозией.

Прорезав ножом отверстие в стенке контейнера, нужно установить на нем два фильтра грубой очистки – подойдут «грязевики» (второе название – косой фильтр) или фильтры от стиральных машин.

Далее контейнер при помощи болтов фиксируют на металлическом основании, после чего к нему присоединяют обратный клапан.

Следом устанавливаются плата толщиной 2,3 мм и барботажная трубка.

Завершается создание электролизера установкой форсунки с затвором, расположенным со стороны платы.

Устройство с верхним расположением контейнера

Электроды выполняются из нержавеющего листа размером 50х50 см, который нужно разрезать болгаркой на 16 равных квадратов. Один угол каждой пластины подрезается, а в противоположном выполняется отверстие под болт М6.

Один за другим электроды одеваются на болт, а изоляторы для них нарезаются из резиновой или силиконовой трубки. Как вариант, можно воспользоваться трубкой от водяного уровня.

Контейнер фиксируется при помощи штуцеров и только после этого устанавливаются барботажная трубка и электроды с клеммами.

Модель с нижним расположением контейнера

В этом варианте сборку прибора начинают с нержавеющего основания, размеры которого должны соответствовать размерам контейнера. Далее устанавливают плату и трубку. Монтаж фильтров в данной модификации не требуется.

Затем к нижней плате нужно прикрепить 6-миллиметровыми винтами затвор.

Установка форсунки осуществляется посредством штуцера. Если все же принято решение установить фильтры, то для их крепления следует использовать пластиковые зажимы на резиновых прокладках.

Готовое устройство

Толщина изоляторов между пластинами-электродами должна составлять 1 мм. При таком зазоре сила тока будет достаточной для качественного электролиза, в то же время пузырьки газа смогут легко оторваться от электродов.

К полюсам источника питания пластины подключаются поочередно, например, первая пластина – к «плюсу», вторая – к «минусу» и т. д.

Устройство с двумя клапанами

Процесс изготовления 2-клапанной модели электролизера не отличается особой сложностью. Как и в предыдущем варианте, сборку следует начинать с подготовки основания. Выполняется оно из стальной листовой заготовки, которую нужно подрезать в соответствии с размерами контейнера.

К основанию прочно крепится плата (применяем винты М6), после чего можно устанавливать трубку для барботажа диаметром не менее 33 мм. Подобрав к устройству затвор, можно приступать к монтажу клапанов.

Пластиковый контейнер

Первый устанавливается на основании трубы, для чего в этом месте необходимо закрепить штуцер. Соединение уплотняется зажимным кольцом, после чего устанавливается еще одна пластина – она понадобится для фиксации затвора.

Второй клапан следует монтировать на трубе с отступом от края в 20 мм.

Модели на три клапана

Эта модификация отличается не только количеством клапанов, но также и тем, что основание для нее должно быть особенно прочным. Применяется все та же нержавеющая сталь, но большей толщины.

Место для установки клапана №1 нужно выбирать на входной трубе (она подсоединяется прямо к контейнеру). После этого следует закрепить верхнюю пластину и вторую трубку барботажного типа. Клапан №2 устанавливают на конце этой трубки.

Штуцер при установке второго клапана нужно крепить с достаточной жесткостью. Также потребуется зажимное кольцо.

Готовый вариант водородной горелки

Следующий этап – изготовление и установка затвора, после чего к трубе прикручивают клапан №3. При помощи шпилек он должен соединяться с форсункой, при этом посредством прокладок из резины должна быть обеспечена изоляция.

Вода в чистом виде (дистиллированная) является диэлектриком и чтобы электролизер работал с достаточной производительностью, ее следует превратить в раствор.

Наилучшие показатели демонстрируют не солевые, а щелочные растворы. Для их приготовления в воду можно добавить пищевую или каустическую соду. Также подойдут некоторые средства бытовой химии, например, «Мистер Мускул» или «Крот».

Устройство с оцинкованной платой

Очень распространенная версия электролизера, применяющаяся, главным образом, в системах отопления.

Подобрав основание и контейнер, соединяют винтами (их понадобится 4 шт.) платы. Затем сверху на приборе устанавливают изолирующую прокладку.

Стенки контейнера не должны обладать электропроводимостью, то есть быть изготовленными из металла. Если есть необходимость сделать емкость высокопрочной, нужно взять пластиковый контейнер, и поместить его в того же размера металлическую оболочку.

Остается прикрутить контейнер шпильками к основанию, и установить затвор с клеммами.

Модель с оргстеклом

Сборку электролизера с применением заготовок из органического стекла назвать простой задачей нельзя – данный материал достаточно сложен в обработке.

Трудности могут подстерегать и на этапе поиска контейнера подходящего размера.

В углах платы высверливают по одному отверстию, после чего приступают к монтажу пластин. Шаг между ними должен составлять 15 мм.

На следующем этапе переходят к установке затвора. Как и в других модификациях, следует применять прокладки из резины. Только нужно учесть, что в данной конструкции их толщина должна составлять не более 2-х мм.

Модель на электродах

Несмотря на слегка настораживающее название, эта модификация электролизера также вполне доступна для самостоятельного изготовления. В этот раз сборку прибора начинают снизу, укрепляя на прочном стальном основании затвор. Контейнер с электролитом, как и в одном из вышеописанных вариантов, расположим сверху.

После затвора приступают к монтажу трубки. Если размеры контейнера позволяют, ее можно оснастить двумя фильтрами.

Далее прикручивают форсунку и принимаются за установку верхнего стального листа. При этом должны соблюдаться два условия:

• лист не касается контейнера;
• расстояние между ним (листом) и зажимными винтами должно составлять 20 мм.

При таком исполнении генератора водорода электроды следует крепить к затвору, размещая по другую сторону от него клеммы.

Применение пластиковых прокладок

Вариант изготовления электролизера с прокладками из полимеров позволяет применить алюминиевый контейнер вместо пластикового. Благодаря прокладкам, он будет надежно изолирован.

Вырезая прокладки из пластика (понадобится 4 шт.), необходимо придать им форму прямоугольников. Они укладываются по углам основания, обеспечивая зазор в 2 мм.

Теперь можно приступать к установке контейнера. Для этого понадобится еще один лист, в котором просверливают 4 отверстия. Их диаметр должен соответствовать наружному диаметру резьбы М6 – именно такими винтами будет прикручиваться контейнер.

Стенки у алюминиевого контейнера жестче, чем у пластикового, поэтому для более надежного крепления под головки винтов следует подложить шайбы из резины.

Остается заключительный этап – установка затвора и клемм.

Модель на две контактные клеммы

К основанию, выполненному из стального или алюминиевого листа, прикрепите при помощи цилиндров или винтов пластиковый контейнер. После этого нужно установить затвор.

В этой модификации применяется игольчатая форсунка диаметром в 3 мм или чуть больше. Ее нужно установить на свое место, подсоединив к контейнеру.

Теперь при помощи проводников нужно присоединить клеммы прямо к нижней плате.

Последним элементом монтируется трубка, причем место, в котором она присоединяется к контейнеру, должно быть уплотнено зажимным кольцом.

Фильтры можно позаимствовать в поломанных стиральных машинах либо установить обычные «грязевики».

Еще на шпинделе нужно будет закрепить два клапана.

Схематическое представление

Схематичное описание реакции электролиза займет не более двух строк: положительно заряженные ионы водорода устремляются к отрицательно заряженному электроду, а отрицательно заряженные ионы кислорода – к положительному. Для чего вместо чистой воды приходится применять электролитический раствор? Дело в том, что для разрыва молекулы воды требуется достаточно мощное электрическое поле.

Соль или щелочь выполняет значительную часть этой работы химическим путем: атом металла, имеющий положительный заряд, притягивает к себе отрицательно заряженные гидроксогруппы ОН, а щелочной или кислотный остаток, имеющий отрицательный заряд – положительные ионы водорода Н. Таким образом, электрическому полю остается только растащить ионы к электродам.

Схема электролизера

Наилучшим образом электролиз проходит в растворе соды, одна часть которой разбавляется в сорока частях воды.

Наилучшим материалом для электродов, как уже говорилось, является нержавеющая сталь, а вот для изготовления пластин лучше всего подходит золото. Чем большей будет их площадь и чем выше сила тока – тем в большем объеме будет выделяться газ.

Прокладки можно делать из различных токонепроводящих материалов, но лучше всего для этой роли подходит поливинилхлорид (ПВХ).

Заключение

Электролизер может эффективно применяться не только в промышленности, но и в обиходе.

Вырабатываемый им водород можно превратить в топливо для приготовления пищи, или обогащать им бензо-воздушную смесь, повышая мощность автомобильных двигателей.

Несмотря на простоту принципиального устройства прибора, умельцы научились изготавливать целый ряд его разновидностей: любую из них читатель сможет изготовить собственноручно.

Видео на тему

• Предыдущая записьВоздушный клапан для отопления: назначение, принцип действия и конструктивные особенности
• Следующая записьНасколько необходим ИБП для циркуляционного насоса отопления? Выбор бесперебойника, примерные цены на приборы

Adblock
detector

Сделать своими руками электролизер воды для пайки, генератор водорода и самодельную водородную гарелку

21. 08.2012 Один комментарий

Автор

 

Автор: Ю. Орлов

   Используя принцип получения водорода с помощью электролиза водного раствора щелочи, описанный в журнале

«Модалист-конструктор» № 7 за 1980 год, я решил сделать более простой и компактный аппарат, удобный для работы с небольшими деталями, при пайке твердыми припоями. Благодаря малым наружным габаритам электролизера ему найдется место и на небольшом рабочем столе, а использование в качестве блока электропитания стандартного выпрямителя для подзарядки аккумуляторных батарей облегчает изготовление установки и делает работу с ней безопасной. Относительно небольшая, но вполне достаточная производительность аппарата позволила предельно упростить конструкцию водяного затвора и гарантировать пожаро- и взрывобезопасность. Для тех, кто незнаком с предыдущей публикацией, напомню устройство электролизера. Между двумя платами, соединенными четырьмя шпильками, размещена батарея стальных пластин-электродов, разделенных резиновыми кольцами. Внутренняя полость батареи наполовину заполнена водным раствором КОН или NaOH. Приложенное к пластинам постоянное напряжение вызывает электролиз воды и выделение газообразного водорода и кислорода. Эта смесь отводится через надетую на штуцер полихлорвиниловую трубку в промежуточную емкость, а из нее в водяной затвор. Газ, прошедший через помещенную там смесь воды с ацетоном в соотношении 1:1, имеет необходимый для горения состав и, отведенный другой трубкой в форсунку — иглу от медицинского шприца, сгорает у ее выходного отверстия с температурой около 1800° С. Для плат электролизера я использовал толстое оргетекло. Этот материал легко обрабатывается, химически стоек к действию электролита и позволяет визуально контролировать его уровень, чтобы при необходимости добавлять через наливное отверстие дистиллированную воду. Пластины можно изготовить из листового металла (нержавеющая сталь, никель, декапированное или трансформаторное железо) толщиной 

0,6—0,8 мм. Для удобства сборки в пластинах выдавлены круглые углубления под резиновые кольца уплотнения, глубина их при толщине кольца 5—6 мм должна быть 2—3 мм. Кольца, предназначенные для герметизации внутренней полости и электрической изоляции пластин, вырезаются из листовой маслобензостойкой или кислотоупорной резины. Сделать это вручную несложно, и все же идеальный для этого инструмент — «кругорез-универеал», описанный в «М-К» № 4 за 1985 год. Четыре стальные шпильки М8, соединяющие детали, изолированы кембриком диаметром 10 мм и пропущены в соответствующие отверстия диаметром 11 мм. Количество пластин в батарее —9. Оно определяется параметрами блока электропитания: его мощностью и максимальным напряжением — из расчета 2В на пластину. Потребляемый ток зависит от количества задействованных пластин (чем их меньше, тем ток больше) и от концентрации раствора щелочи. В более концентрированном растворе ток меньше, но лучше применять  4—8-процентныйраствор — при электролизе он не так пенится.

Рис. 1. Устройство электролизера:

 

изолирующая полихлорвиниловая трубка 0 10 мм шпилька М8 (4 шт.) гайка М8 с шайбой (4 шт.) левая плата, пробка-болт М10 с шайбой, пластина резиновое кольцо штуцер шайба полихлорвиниловая трубка диам. 5 мм,

правая плата, короткий штуцер (3 шт.), промежуточная емкость, основание,  клеммы, барботажная трубка, форсунка-игла, корпус водяного затвора.

 

  Контактные клеммы припаиваются к первой и трем последним пластинам. Стандартное зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов ВЛ-2, подключенное на 8 пластин, при напряжении 17 В и токе около 5 А обеспечивает необходимую производительность горючей смеси для форсунки — иглы с внутренним диаметром 0,6 мм. Оптимальное соотношение диаметра иглы форсунки и производительности электролизера устанавливается опытным путем — так, чтобы зона воспламенения смеси располагалась вне иглы. Если производительность мала или диаметр отверстия слишком велик, горение начнется в самой игле, которая от этого быстро разогреется и оплавится.

  Надежным заслоном от распространения пламени по подводящей трубке внутрь электролизера является простейший водяной затвор, который сделан из двух порожних баллончиков для заправки газовых зажигалок. Достоинства их те же, что и у материала плат: легкость механической обработки, химическая стойкость и полупрозрачность, позволяющая контролировать уровень жидкости в водяном затворе. Промежуточная емкость исключает возможность смешивания электролита и состава водяного затвора в режимах интенсивной работы или под действием разряжения, возникающего при выключении электропитания. А чтобы этого избежать наверняка, по окончании работы следует сразу же отсоединять трубку от электролизера. Штуцеры емкостей сделаны из медных трубок диаметром 4 и 6 мм, устанавливаются в верхней стенке баллончиков на резьбе. Через них же осуществляется заливка состава водяного затвора и слив конденсата из разделительной емкости. Отличная воронка для этого получится из еще одного пустого баллончика, разрезанного пополам и с установленной на месте клапана тонкой трубкой. Соедините короткой полихлорвиниловой трубкой диаметром 5 ммэлектролизер с промежуточной емкостью, последнюю — с водяным затвором, а его выходной штуцер более длинной трубкой — с форсункой-иглой. Включите выпрямитель, подрегулируйте напряжением или количеством подключаемых пластин номинальный ток и подожгите выходящий из форсунки газ. Если вам необходима большая производительность — увеличьте количество пластин и примените более мощный блок питания — с ЛАТРом и простейшим выпрямителем. Температура пламени также поддается некоторой корректировке составом водяного затвора. Когда в нем только вода, в смеси содержится много кислорода, что в некоторых случаях нежелательно. Залив в водяной затвор метиловый спирт, смесь можно обогатить и поднять температуру до 2600 °С. Для снижения температуры пламени водяной затвор заполняют смесью ацетона и воды в соотношении 1:1. Однако в последних случаях следует не забывать пополнять и содержимое водяного затвора.

Автор: Ю. Орлов
Адрес: г. Троицк, Московская обл.
Источник: «М-К» № 10, 1985 г.

 

Похожие статьи

Популярные статьи

грелкасамоделки

ЭЛЕКТРИЧЕСВОРоботы, моторчики
батарейки, фонарики

ХИМИЯХимия бывает не только
полезной, но и веселой

ИГРУШКИПоделки из бумаги,
дерева и других материалов

ОПЕРАЦИОННАЯВ данной категории мы
разбираем устройства и принципы
работы каких либо приборов

ИНТЕРЕСНОЕВсе что летает,
стреляет, горит и пр.

САМОДЕЛКИПОСИТИТЕЛЕЙ

Как построить генератор водорода PEM

Генератор водорода PEM | Водородный электролизер

ПоADiup 29 августа 2022 г. 6 января 2023 г.

В этой статье вы подробно узнаете, как построить генератор водорода PEM.
Вот видео и текст изготовления электролизера PEM. Конечно, есть более простой способ получить генератор водорода PEM.
Вы хотите знать разницу между генератором водорода pem и генератором щелочного водорода?

Подготовьте необходимые детали

• 1. Пластина из алюминиевого сплава
• 2. Изолирующая прокладка 
• 3. Пластины положительного и отрицательного электродов из титанового сплава
• 4. Титановая сетка
• 5. Силиконовая прокладка 90 90 0 1 Микропластина
6.0019 Импортный DuPont N117 PEM
• 8. Винт
• 9. Прокладка
• 10 Гайка
• 11 Соединитель газовой трубы

Как построить генератор водорода PEM

9004

Подготовьте необходимые детали.

Выберите пластину из алюминиевого сплава в качестве прижимной доски.

Вставьте подготовленные винты.

Установите изоляционную прокладку.

Обратите внимание на положение входа воды и выхода воздуха.

Установите положительные и отрицательные электродные пластины из титанового сплава.

Установите уплотнительную силиконовую прокладку.

Установить титановую сетку.

1. Титановая сетка должна располагаться в порядке высокой, средней, малой плотности.
2. Аккуратно разложите их.

Установите микропланшет.

Выровняйте титановую сетку при размещении.

Установите DuPont N117 PEM.

Во избежание повреждений модуль PEM следует устанавливать осторожно.

Установите микропланшет.

Установите силиконовую прокладку студийного уплотнения.

Установить титановую сетку.

1. Титановая сетка должна располагаться в порядке высокой, средней, малой плотности.
2. Выровняйте микропланшет при размещении.

Установите положительные и отрицательные электродные пластины из титанового сплава.

Установите уплотнительную силиконовую прокладку.

Установите вторую титановую сетку.

Титановая сетка должна располагаться в порядке высокой, средней, малой плотности.

Установите микропланшет.

Установите DuPont N117 PEM.

Установите микропланшет.

Установите уплотнительную силиконовую прокладку.

Установить титановую сетку.

Установите положительные и отрицательные электродные пластины из титанового сплава.

Установите изоляционную прокладку.

Установите пластину из алюминиевого сплава.

Установите прокладку и гайку.

Затяните винты.

База стандартной компактности и кручения.

Установите соединитель воздушной трубы и затяните.

следует различать вход воды, выход водорода и выход кислорода.

Установка завершена.

Проверка после сборки.

Проверьте наличие сопротивления и короткого замыкания между электродом и прижимной пластиной.

Тест нормальный

Включите питание для проверки

Подключение к водяному насосу

Подсоедините воздуховод

Подключение к выходной шине

Штекер выходной шины подключен к трансформатору.

Разъем линии передачи управления подключен к трансформатору.

Разъем сигнальной линии подключен к трансформатору.

Штекер входной шины подключен к трансформатору.

Подсоедините линию датчика уровня воды линии передачи управления к баку.

Подсоедините линию водяного насоса, управляющую линией передачи, к водяному насосу.

Отвинтить верхнюю крышку сепаратора водяного газа.

Залить очищенной водой.

Включите переключатель.

Во время проверки.

1. Нормальны ли водород и кислород (выход водорода) (выход кислорода).
2. Проверьте, в норме ли напряжение и ток.
3. Проверьте, нет ли утечек воды.

Если в тесте нет проблем, установка завершена.

Почтовые теги: #Как собрать генератор водорода PEM#Генератор водорода PEM

Похожие сообщения

Как сделать электролизеры дешевыми

Как сделать электролизеры дешевыми – Хулио К. Гарсия-Наварро.

Через 2 недели будет проведена ежегодная проверка качества (AMR) Министерства энергетики США. Во время AMR все стороны, получившие финансирование на исследовательскую деятельность в области водорода, собираются, чтобы представить обновления проекта и получить оценку своих коллег. Я никогда лично не посещал ни одну AMR, но мне всегда было интересно следить за прогрессом, который они демонстрируют, потому что это самая крупная (насколько мне известно) и наиболее актуальная (на мой взгляд) англоязычная конференция по исследованию водорода в мире.

В AMR вы можете найти результаты по таким темам, как, какой компонент в водородной заправочной станции (HRS) чаще всего выходит из строя (это не компрессор, как утверждают некоторые компании) (ссылка здесь) и о сравнении стоимость транспортных средств большой грузоподъемности, работающих на различных источниках энергии, и это лишь несколько примеров. AMR — настоящий маяк знаний в мире водорода.

Я хотел бы обсудить конкретную презентацию прошлогоднего AMR, а именно, о расширении производства электролизеров PEM.

В этом исследовании 3M , Giner Inc. (сейчас принадлежит Plug Power ) и NREL (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии) разрабатывают производственный процесс рулонного производства, который позволит им увеличить производительность электролизеров с ПОМ за счет увеличения скорости печати катализатора на протонпроводящих мембранах (ПОМ) до 5,3 м2 за 10 минут на одной машине.

Чтобы дать этому числу немного контекста, каждый м2 электролизера PEM эквивалентен 40 кВт установленной мощности , а это означает, что консорциум мог бы предложить процесс, производящий электролизер мощностью 21 кВт каждую минуту, или, выражаясь по-другому, он мог бы производить электролизер мощностью 1 ГВт за один месяц.

Звучит долго, но уже становится разумнее, если вспомнить, что весь ЕС хочет иметь 40 ГВт к 2030 году. Giner, NREL и 3M могли бы производить все необходимые ЕС электролизеры с одной рулонной машиной менее чем за 4 года. Впечатляющий.

Рис. 1. (Слева) рулон катализатора с покрытием процесса 3M/Giner. (Справа) Протонообменная мембрана, используемая в электролизерах PEM. Чтобы произвести один MEA (мембранно-электродный узел), им просто нужно прижать катализатор к мембране, что очень похоже на другие процессы рулонного производства, включая газетную печать. Изображения взяты из «Недорогих высокоэффективных мембран с каталитическим покрытием для электролизеров воды PEM», Ежегодного обзора заслуг Министерства энергетики США за 2020 год.

Целью этого проекта компаний 3M, Giner и NREL является не только увеличение производственной мощности электролизеров PEM, но и повышение их эффективности. В приведенной ниже таблице показана выдержка из их прогресса с учетом трех различных стратегий проектирования электролизера PEM:

Design strategy	Energy consumption [kWh/kg]	Efficiency [%]	OPEX @ 0. 03 EUR/kWh [EUR/kg-h3]	CAPEX [EUR/metric tonne/year]
Minimizing OPEX	40,2	82%	1,21	9.869,42
Balanced	46,9	70%	1,41	5.099,20
Minimizing CAPEX	52,3	63%	1,57	2.549,60

Таблица 1. Различные режимы работы и соответствующие эксплуатационные и капитальные затраты электролизера PEM. Источник: сделано на основе данных «Недорогие, высокоэффективные мембраны с каталитическим покрытием для электролизеров воды PEM», Ежегодный обзор заслуг Министерства энергетики США за 2020 год.

При проектировании электролизера с ПОМ всегда существует компромисс между эксплуатационными и капитальными затратами. Производитель может минимизировать энергопотребление своего электролизера, но это будет означать, что производительность будет низкой, что приведет к высоким капитальным затратам.

Верно и обратное: максимизация количества водорода, производимого электролизером, как следствие, увеличивает потребление энергии. По сути, это то же самое явление, которое ограничивает срок службы батарей при их зарядке большими токами; оба являются электрохимическими устройствами, и это одно из ограничений электрохимических технологий.

Вопрос, который я задал себе: что лучше, чтобы минимизировать OPEX или CAPEX?

Большинство людей (включая экспертов) считают, что мы должны стремиться к минимизации эксплуатационных расходов, поскольку для производства водорода требуется такое огромное количество энергии (около 50 кВтч/кг), что любое сокращение было бы чрезвычайно полезным.

Таким образом, многие производители электролизеров ориентируются на сторонников сокращения эксплуатационных расходов, полагая, что следующее поколение электролизеров будет иметь низкое энергопотребление.

Я думаю, что у экспертов все наоборот, и что мы должны уделять больше внимания минимизации CAPEX, чем OPEX, в основном по двум причинам:

1. Производители электролизеров никогда не снизят потребление энергии ниже 38 кВтч/кг . Это термодинамический предел электролизера, работающего со 100% эффективностью из-за так называемого термонейтрального напряжения процесса расщепления воды.
2. Прирост капитальных затрат значительно больше, чем соответствующий убыток операционных затрат . Из приведенной выше таблицы повышение эффективности с 70 до 63% (что соответствует увеличению энергопотребления при производстве водорода с 47 до 52 кВтч/кг) удваивает производственную мощность того же электролизера, что фактически вдвое снижает капитальные затраты.

Несмотря на то, что говорят эксперты, лучше сосредоточиться на снижении капитальных затрат электролизера, чем на снижении его операционных затрат.

Julio C. Garcia-Navarro

В качестве простого упражнения я сделал простой расчет LCOH (приведенная стоимость водорода) на основе приведенной выше таблицы (исключая техническое обслуживание, налоги и другие расходы) и принимая во внимание следующие параметры:

1. Стоимость электроэнергии: 0,03 евро/кВтч
2. Ставка дисконтирования проекта: 5%
3. Срок службы электролизера: 20 лет
4. Капитальные затраты электролизера: 1 миллиард евро на ГВт

сценарии проектирования электролизера ПЭМ.

Как видно из рисунка выше, сценарий минимизации капитальных затрат (где операционные затраты составляют 1,57 евро/кг-ч3, а капитальные затраты составляют 2,550 евро/метрическую тонну/год) приводит к минимуму LCOH (1,77 евро/кг-ч3), в то время как минимизация сценария OPEX (где OPEX составляет 1,21 евро/кг-ч3, а капитальные затраты составляют 9,800 евро/метрическая тонна/год) имеет самый большой LCOH (1,99).

Также интересно отметить, что сбалансированный сценарий (где эксплуатационные расходы составляют 1,41 евро/кг-ч3, а капитальные затраты составляют 5,100 евро/метрическую тонну/год) отвечает за самое большое снижение LCOH (с 1,99 до 1,81 евро/кг-ч3), а это означает, что компромисс между капитальными и эксплуатационными затратами сильнее, когда производственные мощности не так высоки.

Когда производственная мощность является наибольшей, первоначальные капитальные затраты незначительны, и LCOH становится преобладающим над операционными затратами, но как только мы уменьшаем производственные мощности, капитальные затраты приобретают более важное значение.

Из этого упражнения я могу сделать вывод, что лучше оптимизировать конструкцию электролизера с ПОМ, сосредоточив внимание на снижении капитальных затрат, хотя существует предел, при котором отдача начинает уменьшаться, и в этом случае независимо от того, сколько исследований направлено на увеличение количество водорода, производимого на электролизер, просто не стоит того с финансовой точки зрения.

В заключение я думаю, что производители электролизеров, такие как Гинер, могут иметь сильных союзников для расширения своих производственных мощностей в таких компаниях, как 3M, и исследовательских институтах, таких как NREL, и я считаю, что их усилия лучше всего использовать для оптимизации конструкция электролизера, в которой основное внимание уделяется снижению капитальных затрат, а не операционных затрат.