Проекты

Компактный водородный реактор

Работа призёров конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Энергия будущего. Цифровая энергетика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 654 имени А.Д. Фридмана
Предметы: Физика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Генри Кавендиш и Михаил Ломоносов наблюдали существование зависимости между электрическими и химическими явлениями. Майкл Фарадей провёл опыты, связанные с электролизом (разложение веществ под действием электричества), в итоге доказав, что ток оказывает еще и химическое воздействие. Все эти экспериментальные данные послужили основой для возникновения науки – электрохимии, которая нашла широкое применение в различных отраслях промышленности, например в водородной энергетике. Это очень перспективное направление, ведь водород – легкий бесцветный газ, самое распространенное вещество во Вселенной. Кроме того, он обладает высокой энергетической ценностью. По данным статистики, за 2019 год более 4000 млрд кубометров природного газа добыто из исчерпаемых источников, однако получать газ можно и другим путём. В химической реакции электролиза водород выделяется из воды, что не вредит экологии, в отличие от методов, которые используют сейчас в энергетике. Поэтому именно водород идеально подходит на роль альтернативного топлива. К тому же главным преимуществом водородной энергетики является разнообразие способов получения водорода. На данный момент известны такие методы, как паровая конверсия метана и природного газа, газификация угля, пиролиз, частичное окисление, биотехнологии, но по-прежнему выработка путем электролиза является самой эффективной.

Цель

Целью данного проекта является создание мини-реактора для получения водорода путём электролиза воды.

Задачи

1. Изучить тематику проекта, теоретические основы электролиза.

2. Проанализировать данные и актуальность продукта.

3. Провести расчеты.

4. Изготовить чертежи, осуществить проектирование.

5. Создать водородный реактор.

6. Провести и проконтролировать испытания установки.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

· Шлифовальный станок

· Вертикально-сверлильный станок

· Вертикальная шлифовальная машина

· Лазерный станок

· Электрический лобзик

· Лабораторный блок питания ИП-24

· Расширительный бак

· Молоток

· Струбцины

· Гаечный ключ

· Ножницы по металлу

· Отвертка

· Резина ТМКЩ-С (тепло-морозо-кислото-щёлочестойкая)

· Нержавеющая сталь ASIS 304

· Поликарбонат

· Поперечные рейки

· Гайки М6

· Штуцера М6

· Трубка 5м

Описание

Выделяемый в результате электролиза воды газообразный водород получается в специальных приборах, называемых электролизерами.

Принцип работы электролизера заключается в следующем. Вода, находящаяся в баке, заполняет пространство между электродами (пластинами). На подключенные пластины всех ячеек установки подается определенное напряжение от источника питания. При протекании электролиза к отрицательно заряженному катоду притягиваются положительно заряженные ионы. На положительно заряженном аноде происходит распад молекулы воды. Из каждой образуется два атома водорода и один атом кислорода.  Полученное топливо, а именно газ Брауна (водород с кислородом), выходит по трубке и попадает в предназначенную емкость. Предполагается использовать весь объем газа после его выработки.

Среди возможных типов электролизеров авторами выбран электролизер проточного типа. Его конструкция включает в себя ванну с анодами и катодами, полностью залитую водой, и бак. Преимуществом такого типа электролизера является бесперебойная подача воды.  Для изменения мощности установки было принято решение сделать его разноуровневым. Основная часть электролизера состоит из 15 стальных пластин. Каждый уголок пластины является местом для подключения к источнику тока через провода с зажимами типа «крокодил». Пластины имеют разные формы. Всего их четыре типа: без уголков; с одним уголком; с двумя уголками, находящимися по диагонали; с двумя уголками, находящимися на одной стороне пластины.

Контакты в электролизере возможно подключать разными способами, например так, чтобы было четыре активные ячейки с четырьмя пластинами в каждой или три активные ячейки с пятью пластинами в каждой ячейке. Крайние пластины при любом способе подключения имеют фиксированные контакты – плюс (+) или минус (–). Вариативность способов присоединения контактов позволяет осуществлять электролизную реакцию при разных значениях напряжения и силы тока.

Для самого процесса электролиза была выбрана нержавеющая сталь марки ASIS304. В соответствии с чертежами на лазерном станке были нарезаны пластины. Листы, которые не используются для подключения, обрезаны с помощью ножниц по металлу. Далее были просверлены в шахматном порядке отверстия диаметром 6 мм для ввода воды и вывода газа.

В испытуемом электролизере в качестве уплотнителя между стальными и лицевыми пластинами используется резина типа ТМКЩ-С толщиной 2 мм. Эта резина ограничивает внутреннее пространство прохождения химической реакции, а также является уплотнителем и диэлектриком, защищая от воздействий тока.

В качестве формы активной поверхности пластин, участвующих в электролизе, выбрана форма многоугольника, повторяющая типы стальных листов. Это позволяет задействовать большую площадь пластин, а обрезанные углы внутреннего многоугольника резины препятствует скоплению газа.

Ограничивающие пластины сделаны из поликарбоната. Данный материал создает прочную внешнюю конструкцию. Внешние стенки установки имеют толщину 8 мм и выдерживают силу сжатия по периметру.  В лицевых стенках из поликарбоната были сделаны отверстия: в одной пластине – два отверстия (на вход воды и выход газа), а в другой – только одно (на вход воды). Также по периметру пластин сделано 20 отверстий диаметром 5 мм для дальнейшего стягивания всей конструкции.

В роли поперечин, держащих всю конструкцию, используются двадцать стальных реек размером М5. Все стержни стянуты гайками М5. При равномерном закручивании гаек расстояние между внешними пластинами измеряется с помощью штангенциркуля во избежание деформации установки.

Подача воды в электролизер осуществляется по резиновым трубкам, которые подсоединяются к внешним пластинам через штуцера. Для хранения воды используется расширительный бак, размещенный рядом с электролизером.

Источником тока является лабораторный блок питания ИП-24, который позволяет устанавливать напряжение и изменять силу тока.

Сборка установки осуществлялась в стерильных условиях. Все комплектующие были обезжирены специальной жидкостью с содержанием ацетона, затем, начиная с резины, были собраны ячейки в определенной последовательности. После того как авторы еще раз убедились в правильности сборки электролизера, полученную конструкцию накрыли сверху второй лицевой пластиной и равномерно стянули поперечины реактора.

Далее авторы проверили реактор на герметичность и провели тестовые запуски.

Результаты работы/выводы

При первом подключении электролизера к источнику питания контакты были присоединены только к двум крайним активным пластинам, поскольку важно было не допустить предельных значений газонаполнения реактора. Однако при этом требовалось подать на стальные листы электролизера очень большое напряжение для начала прохождения реакции. После этого был выбран способ подключения с тремя активными ячейками. Электролиз воды при таком расположении контактов проходил очень медленно. После анализа предыдущих испытаний было принято решение использовать четыре активные ячейки. При таком варианте электролизная реакция проходила при значениях напряжения 8,2 В и силы тока 1,5 А. Испытания закончились успешно, установка смогла выработать водородное топливо.

По результатам работы авторами создана модель электролизера компактного размера, которую возможно собрать из недорогостоящих материалов своими руками в мастерской. Также спроектированы оригинальные формы пластин четырех типов и особенная геометрия ограничивающей внутренней части резины ТМКЩ-С, которая позволяет задействовать большую активную площадь стальных листов и препятствует скоплению газов.

Перспективы использования результатов работы

Разработанная установка (мини-реактор) может использоваться в образовательных организациях в качестве демонстрационного пособия при изучении процесса электролиза, так как имеет прозрачные внешние стенки из поликарбоната.

Практическое применение мини-реактора авторы видят в получении топлива для питания двигателей; переработке морской воды для поддержания жизни на глубине, водяного льда на поверхности комет, астероидов, планет (Марса); получение кислорода для дыхания и водорода как топлива.

Мнение авторов

«Участие в открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» принесло нам только положительные эмоции. Это отличный проект, помогающий школьникам проявить свои способности»