В настоящее время развивается множество технологий так или иначе связанные с потреблением водорода, однако, повсеместное их внедрение до сих пор сдерживается из-за высокой стоимости получения водорода, не смотря на то, что самое перспективное сырьё (вода) имеется в неисчерпаемом количестве.
В действительности, для выделения атома водорода из молекулы воды, требуется затратить столько же энергии, сколько он сможет выделить при его дальнейшем использовании, это и омрачает перспективу использования воды в качестве сырья.
Однако мы решили пойти по иному пути, и предлагаем своё решение этой проблемы.
Вместо того чтобы пытаться разорвать молекулу H2O, мы решили добывать уже готовый водород, имеющийся в составе раствора электролита в ионном виде.
В составе электролита всегда присутствуют ионы водорода, остаётся их оттуда достать и разрядить на электродах устройства для восстановления молекулы водорода.
Таким образом, нам не приходится затрачивать энергию на разрыв ковалентных связей воды, а вся работа затрачивается только на преодоление межионного притяжения, удерживающего катион водорода в растворе.
Для осуществления данного способа нами разработано устройство «Электроводородный генератор», в процессе работы которого происходит разделение ионов электролита путём сепарации по массе в центробежном поле, и снятие электрического заряда ионов на электродах устройства.
Для работы генератора используется электролит с большим значением отношения масс аниона к катиону, такими могут быть, например:
HBrO3 - отношение m(BrO3(-))/m(H+) = 128/1;
H2SO4 , отношение m(SO4(2-))/m(2H+) = 98/2.
В генераторе организуется поток электролита в виде искусственного смерча, благодаря чему в осевой зоне генератора возникает вихрь электролита, испытывающий интенсивное центробежное воздействие.
При этом, к наружной границе этого вихря смещаются тяжёлые анионы, вытесняя лёгкие катионы к осевому электроду (штанга 2).
Таким образом, возникают два концентрично расположенных цилиндрических пояса ионов противоположного знака.
Т.к. внешний пояс анионов не создает электрическое поле внутри себя, то выделению катионов во внутренний пояс противодействуют силы их отталкивания.
Суммарную силу отталкивания катионов можно определить как произведение суммарного заряда пояса катионов на напряжённость их электрического поля.
Е = Q/ 4πε0r ;
F = EQ = Q2/ 4πε0r
При этом, механическую работу, затраченную на разделение ионов, можно оценить как произведение силы F на расстояние оттеснения тяжёлых анионов от осевого электрода.
В свою очередь, расстояние оттеснения анионов определяется как расстояние, достаточное для уменьшения вероятности обмена электроном между анионом и осевым электродом. Таким образом, расстояние смещения можно принять равным примерно 1Å=10-10м.
Соответственно, работа центробежного поля может быть посчитана как:
A = F∙10-10 Дж
Для получения представления о затратах механической энергии, проведём расчет для 40%-го раствора серной кислоты, из условия: диаметр центрального электрода – 1 см
Длина центрального электрода – 1м
Толщина слоя катионов - 1Å
1) Количество ионов H+ определяем исходя из количества молекул серной кислоты в эквивалентном объёме:
ρ(H2SO4 , 40%) = 1,3 г/см3
V = 2πrL(∆h) = 3,14∙10-6 см3 m(H2SO4) = 1,63∙10-6г
ν(H2SO4) = m/Mr = 1,66∙10-8 моль n(H+) =2∙ ν ∙Na = 2,0∙1016
2) Суммарный заряд пояса катионов:
Q(∑H+) = n(H+) ∙ 1,6∙10-19 = 3,2∙10-3 Кл
3) Механическая работа составит:
А = (Q2/4πε0r)∙10-10 = 1,84∙10-3 Дж
4)При этом выделяется объём водорода:
V(H2) = 7,4∙10-10 м3
Затраты механической энергии на выделение 1 м3 водорода составят:
A/V = 1,84∙10-3 / 7,4∙10-10 = 2,4 MДж/м3 = 0,7 кВт ∙ ч /м3
При этом, через электроды пройдёт электрический заряд:
Q = 2Q(∑H+)/V(H2)= 2∙3,2∙10-3 / 7,4∙10-10 = 8,65 ∙ 106 Кл
Протекающие электрохимические реакции представлены в схеме на примере бромноватой кислоты.
Электролит диссоциирует в воде на ионы:
HBrO3 → H(+) + BrO3(-);
Катион водорода восстанавливается на осевом электроде до водорода:
2H(+) + 2e- → H2↑ ;
Анион кислотного остатка разряжается на корпусе ЭВГ, распадаясь на кислород и кислотный оксид:
2BrO3(-) - 2e- → Br2O5 + O2↑;
Кислотный оксид реагирует с водой, восстанавливая первоначальный состав электролита:
Br2O5 + H2O → 2HBrO3
Таким образом, при работе ЭВГ расходуется только вода, а сам процесс постоянно сопровождается эндотермической реакцией диссоциации электролита, на компенсацию которой может быть использована низкопотенциальная теплота внешней среды.
Работу генератора можно представить блок-схемой:
Электроводородный генератор может быть использован как для непосредственного получения водорода, так и, в качестве теплового насоса, для утилизации низкопотенциальных теплопотерь.
Интеллектуальная собственность
Получен патент на изобретение № 2410470
Получены результаты международного патентного поиска
Ведётся предварительная международная экспертиза по заявке PCT/RU2010/000380
Конкурентные преимущества проекта
Затраты на получение 1м3 водорода составляют порядка 0,7 кВт∙ч, соответственно себестоимость производства составит порядка 1р/м3H2
Для сравнения, в настоящее врмя стоимость 1 м3 водорода, полученного традиционными методами составляет 60 – 120 руб./ м3 (12.2010) а стоимость природного газа 1.92 – 3.23 руб./ м3 (04.2010).