Анализ процесса питания электролизёра

Электролизёр – это совокупность пластинчатых анодов и катодов, каждая пара которых называется ячейкой. Раствор размещается между пластинами электродов. Напряжение на клеммы электролизёра можно подавать непрерывно, а можно импульсами. Мы уже увидели потенциальные возможности импульсного процесса подачи напряжения на клеммы электролизёра в снижении затрат энергии на его работу. Теперь надо выяснить, как реализовать эту возможность?

Мы уже показали, что все электролизёры, заряжаясь в начале работы, приобретают постоянный потенциал , свойственный конденсатору. Величина этого потенциала увеличивается с увеличением количества ячеек в электролизёре (рис. 63).

Рис. 63. Осциллограмма напряжения и тока питания электролизёра:

1 – импульс напряжения; 2 – импульс тока; - средняя величина постоянного потенциала

Поскольку электрическая сеть электролизёра связана со всей электрической сетью, то приборы, измеряющие мощность, потребляемую электролизёром, формируют показания, в которых учитывается величина постоянного потенциала , принадлежащая электролизёру, и средняя величина, формирующегося при этом импульсного электрического тока.

На рис. 63 хорошо видно, что импульсы напряжения восстанавливают средний потенциал электролизера, который уменьшается при отсутствии импульса. Это значит, что нет нужды подавать напряжение в электролизёр непрерывно, так как он имеет свой потенциал, для поддержания заданной величины которого достаточна периодическая подзарядка электролизёра.

При такой системе подачи электрической энергии в электролизёр измерительные приборы учитывают не величину напряжения, которое необходимо для его подзарядки, а полную величину постоянного потенциала , которая, вполне естественно, больше средней величины амплитуды напряжения, необходимого для подзарядки электролизёра. Так работают все современные электролизёры, и все варианты совершенствования такого способа его питания уже задействованы. Из изложенного следует, что реальная энергия, затрачиваемая на процесс электролиза воды, меньше той, которую показывают приборы. Как определить её величину?

Электронный ключ 3 (рис. 64) генерирует импульсы напряжения, разрывая электрическую цепь и нарушая связь постоянного потенциала электролизёра 1 с постоянным потенциалом аккумулятора 2.

Показания вольтметров следующие: ; ; . Показания амперметра . В результате, в каждом сечении цепи питания - своя мощность:

; (75)

; (76)

. (77)

Рис. 64. Схема импульсного питания электролизёра 1

от аккумуляторной батареи 2 через диод 4

Возникает вопрос: какую же мощность реализует аккумулятор для питания электролизёра? Для получения ответа на этот вопрос проанализируем осциллограммы напряжений и токов, представленные на рис. 65, 66 и 67.

Рис. 65. Осциллограммы напряжения и тока на клеммах электролизёра 1 (рис. 64)

Как видно (рис. 64, 65), величина импульсов напряжения (1) больше величины постоянного потенциала электролизёра. Импульсы восстанавливают его до средней величины, после чего напряжение вновь уменьшается. Следующий импульс восстанавливает напряжение электролизера до средней величины. При этом импульсы тока (2) генерируются синхронно с импульсами напряжения.

На рис. 66 эти импульсы представлены без постоянного потенциала электролизёра и их мощность определить легко.

Амплитуда импульса напряжения (рис. 66) равна =12,5 V, а амплитуда импульса тока – =1,30 А (рис. 66). Скважность импульсов равна . Тогда старый закон (32) формирования средней величины импульсной электрической мощности даёт такой результат

. (78)

Эта величина близка к показаниям приборов, установленных перед электролизёром (75).

(79)

и совпадает с величиной мощности на клеммах аккумулятора (77)

. (80)

Рис. 66. Осциллограммы напряжения и тока перед диодом 4 (рис. 64)

На рис. 67 видно, что напряжение аккумулятора не реагирует на импульсы напряжения, а величина тока на пути от электролизёра 1 (рис. 64) до аккумулятора 2 остаётся почти неизменной (рис. 65, 66, 67).

Рис. 67. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах аккумулятора 2 (рис. 64)

В опыте использовался мини электролизёр с производительностью литра водорода в час. С учетом показаний разных приборов и результатов, представленных в формулах (75), (76) и (77), удельная мощность составляла:

; (81)

; (82)

. (83)

Вполне естественно, что общий ток и разные напряжения в разных сечениях электрической цепи формируют разную мощность, и возникает вопрос: какая мощность расходуется на питание электролизера?

Средняя величина тока , которую показывает амперметр, равна импульсной величине 1,3 А, деленной на скважность импульсов ( . Поэтому вполне естественно, что на клеммах электролизёра мощность равна . На клеммах аккумулятора она несколько больше .

Имеем ли мы право определять мощность (76) на клеммах диода, умножая среднюю величину тока на амплитудное значение импульса напряжения, равное ? Ведь напряжение подаётся не постоянно, а импульсами, поэтому мы импульсное значение напряжения также должны разделить на скважность . В результате будем иметь среднюю величину напряжения . Это близко к показаниям вольтметра . В результате получим

(84)

или на один литр водорода

. (85)

Вводим в цепь питания электронный генератор импульсов. Результаты эксперимента представлены в табл. 10. Частота импульсов составляла 350 Гц, а скважности импульсов S = 1; 5; 10. Электролизёр имел 6 мини ячеек.

Таблица 10. Показатели электролиза согласно показаниям приборов на рис. 64

0.Показатели	S=1	S=5	S=10
1. Получено , л/ч	0,55	0,16	0,14
2. Ток, А	0,23	0,12	0,11
3.Напряж.	12,40	11,00	10,10
4.Напряж.	12,50	2,50	1,20
5.Напряж.	12,50	12,50	12,50
6.Мощ.,	2,87	1,32	1,11
7.Мощ.,	2,87	0,30	0,13
8.Мощ.,	2,87	1,50	1,37
9. Уд. мощ., , Вт/л	5,22	8,25	7,93
10. Уд. мощ., , Вт/л	5,22	1,87	0,93
11. Уд. мощ., , Вт/л	5,22	9,37	9,78

Обратим внимание на то, что при увеличении скважности в 10 раз (S=10) производительность электролизёра уменьшилась в 4 раза. Удельные затраты мощности по показаниям приборов перед диодом также уменьшились в 5,6 раза.

Нетрудно видеть (рис. 65, 67 и табл. 10, 11), что удельная мощность включает в себя постоянный потенциал электролизера и не отражает истинные затраты энергии на электролиз воды. С увеличением скважности импульсов уменьшается ток и падает производительность, а напряжение остаётся почти постоянным и равным напряжению на клеммах аккумулятора ( ), что и увеличивает удельный расход мощности .

Если напряжение подаётся импульсами (рис. 66), то среднее напряжение импульсов, показываемое вольтметром (рис. 65) уже не равно напряжению постоянного потенциала электролизера и напряжению на клеммах аккумулятора. Средняя величина этого напряжения равна амплитуде импульсов напряжения, делённой на скважность ( ). Поскольку ток в цепи один, то мощность импульсов равна произведению тока на среднее значение напряжения .

Однако, нагрузка на клеммах аккумулятора определяется не средним значением импульсного напряжения , а его постоянной величиной . Из этого следует ошибочность расхода энергии аккумулятором путём подачи энергии импульсами. Мощность , реализуемая аккумулятором (77) всегда равна произведению тока на среднюю величину импульса напряжения.

Как видно (табл. 10), с увеличением скважности импульсов в десять раз производительность уменьшается в четыре раза, а мощность на клеммах электролизёра и на клеммах аккумулятора увеличивается. Из этого следует, что при уменьшении интенсивности процесса электролиза воды расход энергии на этот процесс растёт. Вряд ли с этим можно согласиться. Удельный расход не может так резко увеличиваться. Он должен оставаться, примерно, одинаковым. А получаемое увеличение расхода энергии – следствие искажённых показаний приборов. Возникает вопрос: какие из них отражают реальность?

Таблица 11. Влияние скважности импульсов на показатели процесса электролиза воды

Изложенное показывает, что величины удельной мощности на клеммах электролизёра и на клеммах аккумулятора явно не отражают реальность (табл. 10, 11). Поэтому надо уделить внимание анализу удельной мощности на клеммах диода. Если удельный расход энергии – величина почти постоянная, то производительность электролизёра при увеличении скважности импульсов в 10 раз должна уменьшиться также, примерно, в 10 раз, но она уменьшилась лишь в 4 раза (табл. 10) и в 2 раза (табл. 11). Это означает, что прекращение подачи напряжения не останавливает процесс электролиза воды. Он продолжается за счёт постоянного потенциала . Уменьшение его величины, зафиксированное на осциллограммах (рис. 56, 57), подтверждает это.

Сравнивая осциллограммы на рис. 60 и 62, видим, что вольтметр, подключённый к клеммам электролизёра всегда будет показывать его полное напряжение, равное полному потенциалу электролизёра. Фактическое же среднее напряжение на клеммах электролизёра всегда меньше. Оно равно амплитуде импульса напряжения , делённой на скважность импульсов .

. (86)

Вполне естественно, что средняя величина тока определится по аналогичной формуле

. (87)

Так как , то для работы электролизёра достаточно мощности

. (88)

Однако, вольтметр, подключённый к клеммам электролизёра, покажет другую величину напряжения. Она будет равна и мы получим среднюю мощность на клеммах электролизёра, определённую по ошибочной формуле (32).

В результате величина мощности, необходимой электролизёру, для подзарядки его постоянного потенциала, окажется увеличенной в количество раз, равное скважности импульсов и мы не получим никакой экономии электроэнергии. Вместе с тем мы явно видим наличие возможности для экономии и уже знаем, как это сделать.

Сейчас покажем, что этот эффект реализуется при питании электролизера с помощью электромеханического генератора импульсов (ЭМГИ). Поскольку промышленность ещё не выпускает такие генераторы, то мы переоборудовали серийный электромотор Axi 2826/12 в электромеханический генератор импульсов (ЭМГИ), оставив на его роторе два постоянных магнита.

Экспериментально установлено, что если ЭМГИ подаёт в электролизер импульсы напряжения 1, амплитуда которых больше постоянного электрического потенциала электролизёра, то этих импульсов достаточно для подзарядки электролизёра (рис. 63, 65).

Вполне естественно, что нагрузка на валу ЭМГИ будет присутствовать только в моменты времени, когда генерируются импульсы напряжения и тока, средние величины которых определяются по формулам (86) и (87). Средняя мощность на валу ЭМГИ будет равна величине, определённой по формуле (88) и сложенной с мощностью , расходуемой на механические потери на привод ЭМГИ, которые многократно меньше мощности, расходуемой на генерацию импульсов напряжения и тока . В результате мощность, необходимая для работы электролизёра определятся по формуле

. (89)

Самым удивительным является то, что абсолютное большинство электриков и электронщиков, с которыми нам пришлось обсуждать изложенное, не понимают его суть и считают, что не может быть в этом случае никакой экономии электрической энергии, так как её наличие сразу нарушает законы Кирхгофа. Посмотрим, так это или нет.

Первый закон или первое правило Кирхгофа формулируется так [52]: сумма всех токов, притекающих к любой точке цепи, равна сумме всех токов, утекающих от этой точки. Нетрудно видеть, что это правило строго реализуется в математической модели (32), если полагать, что процедура деления на скважность импульса в формуле (32) относится только к току и не относится к напряжению. В этом случае во всех сечениях электрической цепи первое правило Кирхгофа работает.

Второй закон или второе правило Кирхгофа гласит, что в замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на отдельных участках цепи.

А теперь присмотримся к рис. 63 и 65. На них показано по два электрических потенциала. Один средний принадлежит самому электролизёру и его величина изменяется незначительно. Второй импульсный потенциал 1 с амплитудой близкой к максимальной величине потенциала электролизёра. Сразу возникает вопрос: какой потенциал мы должны учитывать для проверки достоверности второго закона Кирхгофа?

Средний потенциал принадлежит электролизёру, который мы подзаряжаем, посылая импульсы напряжения (рис. 63, 65 и 66), поэтому не имеет никакого отношения к расходу энергии на процесс электролиза воды. Вполне естественно, что мы обязаны в этом случае учитывать среднюю величину импульсов напряжения, которая равна амплитуде импульса напряжения, делённой на скважность импульсов , как это и представлено в формуле (86).

Поскольку средний потенциал на клеммах электролизёра (рис. 63 и 65) больше среднего потенциала , подзаряжающего его, в количество раз, равное скважности импульсов, то и результаты реализации 2-го закона Кирхгофа в этих случаях будут отличаться в количество раз, равное скважности импульсов напряжения.

Итак, мы имеем явное нарушение второго закона Кирхгофа. Почему это не заметили все наши предшественники? Потому, что первичный источник питания, из которого выделяются импульсы напряжения, генерирует напряжение непрерывно и средний ток, пришедший к его клеммам, умножением на величину непрерывно генерируемого напряжения , а на среднюю величину, определённую по формуле (86). В результате второй закон Кирхгофа казалось достоверным. Чтобы убедиться в этом, мы использовали в качестве источника питания электромеханический генератор электрических импульсов (ЭМГИ). Тогда среднее импульсное напряжение на клеммах первичного источника питания и на клеммах электролизёра оказывалось одинаковое и мы имели право рассчитывать мощность на клеммах такого источника питания по формуле (31).

На рис. 68 показана схема соединения импульсного источника питания (ЭГМИ) и измерительных приборов. При проведении эксперимента в качестве ячеек использованы электроды из нержавеющей стали газогенератора «Аква – Терм», изготовляемого Азовским ПО «Донпрессмаш».

Рис. 68. Схема питания электролизёра: 1 – электролизёр; 2 – выпрямитель;

3 – ЭМГИ; 4 – электромотор; 5 – единый вал ЭМГИ 3 и электромотора 4;

6 – ваттметр PX – 110; 7 – ЛАТР; 8 – счетчик электроэнергии СО – И446М;

А – амперметр М-2015; V – вольтметр М-2004; OS – осциллограф TDS 2014.

Затраты энергии на получение водорода из воды при использовании электромеханического генератора электрических импульсов зависят от амплитуды импульсов тока и их скважности (табл. 12 и 13).

Таблица 12. Показатели эффективности экспериментального электролизёра, питаемого ЭМГИ

Показатели
1. Скважность импульсов напряжения	2,70
2. Скважность импульсов тока	5,40
3. Расход воды , гр./час	0,73
4. Получение водорода , л/час	0,99
5. Вольтметр U, В	2,03
6. Амперметр I, А	2,00
7. Мощность , Ватт	4,06
8. Амплитуда импульса напряжения по осцил. , В	1,90
9. Амплитуда импульса тока по осцил. , А	10,00
10. Среднее напряжение по осцил. , В	0,70
11. Средний ток по осциллограмме , А	1,80
12. Средняя мощность по осцил. Ватт	1,27
13. Удельная мощность по осцил , Вт.ч./л	1,28
14. Мощность по счетчику электроэнергии , Вт	0,70
15. Удельная мощность по счетчику электроэнергии, Вт.ч/литр	0,71

Примечание: один опыт – среднее 3-х повторностей.

Переоборудованный электродвигатель Axi 2826/12 использовался как генератор импульсов (ЭМГИ), приводимый во вращение стандартным Axi 2826/12. Он генерировал треугольные импульсы напряжения, которые подавались в экспериментальную ячейку электролизёра. Результаты эксперимента представлены в табл. 12 и 13.

Длительность прямоугольных импульсов напряжения и треугольных импульсов тока (рис. 69) одинакова. Специалист легко может установить, что период следования импульсов равен , длительность импульсов .

Рис. 69. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах экспериментального

электролизёра

Поскольку форма импульсов напряжения, генерируемых генератором, - прямоугольная, то скважность импульсов . Средняя величина напряжения оказывается такой В. Форма импульсов тока близка к треугольной, поэтому их скважность в два раза больше и средняя величина тока А. Вполне естественно, что средняя мощность на валу генератора импульсов будет равна

. (90)

или

. (91)

Как видно (табл. 12), эта величина 1,30Вт близка к показаниям осциллографа (табл. 12, пункт 12) и показаниям счётчика электроэнергии (табл. 12, пункт 14).

Итак, результаты эксперимента, представленные в табл. 10, убедительно доказывают необходимость определения амплитудных значений напряжения и тока путём деления их на свою скважность импульсов и рассчитывать среднюю величину импульсной мощности по формуле (31), а ошибочный второй закон Кирхгофа требует рассчитывать среднюю импульсную мощность на питание электролизёра по формуле (32), содержащей одну скважность. Сразу возникает вопрос: какую же скважность импульсов надо использовать в этом случае? Скважность импульсов напряжения или тока? Ответа нет. В связи с этим ошибочно также и представление о том, что однократное деление на скважность импульсов при определении мощности по формуле (32) обусловлено тем, что импульсы напряжения и тока (рис. 63, 66, 67) изменяются синхронно.

Конечно, весьма желательно проверить влияние большой скважности импульсов напряжения и тока на эффективность процесса электролиза воды. Но у нас не было электромеханического генератора импульсов с большей скважностью. Тем не менее, если не менять метод обработки осциллограмм, то это можно проверить и с помощью электронного генератора импульсов. Результаты такой проверки представлены в табл. 13.

Таблица 13. Показатели эффективности трёх ячеек серийного электролизёра «Аква-Терм» при использовании электронного генератора электрических импульсов

Показатели
1. Скважность импульсов	188	185	220
2. Расход воды , гр./час	0,87	1,12	1,36
3. Получение водорода , л/час	1,19	1,53	1,86
4. Вольтметр U, В	5,55	5,60	5,68
5. Амперметр I, А	1,00	1,25	1,50
6. Мощность , Ватт	5,55	7,00	8,44
7. Амплитуда импульса напряжения по осциллограмме , В	25,00	25,00	27,50
8. Амплитуда импульса тока по осциллограмме , А	177,80	182,20	200,0
9. Среднее напряжение по осциллограмме , В	0,13	0,14	0,12
10. Средний ток по осциллограмме , А	0,94	0,98	1,20
11. Средняя мощность , Вт	0,13	0,18	0,18
12. Удельная мощность по осциллограмме , Вт.ч/литр	0,11	0,11	0,10

Сравнивая результаты экспериментов, представленные в табл. 12 и 13, видим, что удельные затраты энергии на получение водорода из воды зависят, главным образом от скважности импульсов напряжения и тока. С увеличением скважности импульсов напряжения с 2,70 (табл. 12) до 220 (табл. 13) расход энергии на получение водорода из воды уменьшается почти на порядок.

А теперь представим, что сделан электромеханический (ЭМГИ) аналог для питания по схеме, представленной на рис. 68. При скважности импульсов равной S=100, и их треугольной форме магниты будут занимать одну 1/50 контура окружности ротора. Вполне естественно, что энергия на формирование импульсов напряжения, подобных импульсам на рис. 69 уменьшится, примерно, в 50 раз. Теперь подключаем импульсную нагрузку с той же величиной тока 1,30 А.

Средняя величина напряжения (рис. 69) будет равна амплитуде импульса напряжения, делённой на скважность импульсов. Средняя величина тока (рис. 69) также будет равна амплитуде импульса тока, делённой на скважность импульсов. Вполне естественно, что средняя мощность будет равна произведению средних значений напряжения и тока (90) Это значит, что нагрузка на валу такого генератора увеличится на величину, равную произведению средней величины напряжения на среднюю величину тока. Её можно определить и путём деления произведений амплитудных значений напряжения и тока на скважности их импульсов (91). Если же мы разделим произведение амплитудных значений напряжения и тока на скважность один раз (32), то это будет означать, что электромеханический генератор генерирует напряжение не в узком секторе, а по всему контуру окружности ротора.

Изложенное даёт нам право заменить второй закон Кирхгофа законом формирования мощности в любом сечении электрической цепи: величина мощности в любом сечении электрической цепи равна произведению величины среднего напряжения в этом сечении на величину среднего тока.

Таким образом, экспериментально доказано, что прямые затраты энергии на электролиз воды существующими электролизерами значительно меньше тех, что показывают счётчики электроэнергии, учитывающие её потребление электролизёрами. Значит, энергии связи между атомами кислорода и водорода в молекуле воды значительно отличаются от тех энергий, которые мы получаем, взяв за основу расход энергии на кубический метр водорода, равный 4 кВтч.

В соответствии с данными, представленными в табл. 12 и 13, реальные энергии связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды можно принять в 10 раз меньшими, чем считалось до сих пор.

Поскольку при электролизе воды выделяется примерно 2/3 водорода и 1/3 кислорода, то расход энергии на получение одного кубометра водорода с учетом принятой величины составит примерно 0,40 кВтч или 3600х0,4=1440кДж. Один кубический метр содержит 1000/22,4=44,64 молей водорода. Тогда затраты энергии на получение одного моля водорода составят 1440/44,64=32,26 кДж, а на одну молекулу

. (92)

Так как в молекуле воды один атом кислорода и два атома водорода, то она имеет две связи. Энергия одной связи будет равна 0,34/2=0,17eV и мы можем определить энергетический уровень электрона атома водорода, на котором он находится в момент отделения от атома кислорода при электролизе воды.

Согласно спектру атома водорода (Приложение 1) электрон атома водорода имеет энергию связи с ядром, равную 0,17eV, находясь на девятом энергетическом уровне.

Если эта энергия соответствует реальности, то затраты энергии для получения моля водорода окажутся такими

. (93)

Затраты энергии на один кубический метр водорода составят 32,9х22,4=736,96 кДж или 736,96/3600=0,2 кВтч. На один литр водорода затраты электрической энергии составят примерно 0,20 Втч. Это соответствует эксперименту (табл. 13, строка 11).

Известно, что с увеличением температуры энергия связи между атомом кислорода и атомами водорода в молекуле воды уменьшается и они могут разделяться на водород и кислород. Если величина 0,20 Втч/л соответствует процессу диссоциации молекул воды, то мы можем определить температуру, при которой начинается процесс, эквивалентный рассмотренному.

Из приведенных расчетов следует, что величина 0,20 Вт/л соответствует энергии связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды равной , а энергия фотона, разрушающего эту связь , а длина его волны будет равна

. (94)

Эта длина волны фотона соответствует инфракрасному диапазону. Тогда температура среды, при которой начинается процесс диссоциации молекул воды, определится по формуле

(95)

или

(96)

Величина этой температуры по шкале Цельсия равна 819,57-237,15=546,42 , что близко к её справочному значению [49].

Конечно, молекула воды в этот момент находится под термическим напряжением, которое при электролизе заменяется электростатическим напряжением, формируемым постоянным потенциалом (рис. 63).

Мы вплотную подошли к анализу энергетики процесса разложения воды на водород и кислород при фотосинтезе, который идет под действием тепловых инфракрасных фотонов. Изложенная информация показывает, что для получения одного литра водорода достаточно 0,20 Втч электроэнергии. Если вести электролиз при напряжении 2 Вольта на ячейку, то средняя величина тока при этом составит 0,20/2=0,10А. Дальше мы увидим, что эта величина близка к величине тока, сопровождающего процесс электролиза воды при фотосинтезе.

Таким образом, эксперимент показывает, что прямые затраты энергии на электролиз воды, то есть затраты энергии без учета потерь, примерно, в 5,25/0,1= 52,5 раз меньше, чем у лучших современных промышленных электролизёров. Это создаёт предпосылки для поиска резервов снижения затрат энергии на электролиз воды, не путем совершенствования самого электролизёра, а путем совершенствования источника его питания.