18. ВОДА – ИСТОЧНИК ВОДОРОДА

18. ВОДА – ИСТОЧНИК ВОДОРОДА
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]
Вводная часть

Исчерпаемость существующих энергоносителей и ухудшающаяся экологическая обстановка сформировали понимание необходимости перехода на неисчерпаемую и эко-логически чистую водородную энергетику [127], [189], [191], [193], [213], [214].
В решение этой проблемы включились не только ученые, но и политики, поэтому желательно иметь более четкое представление о проблемах начального периода. Известно, что наиболее совершенные электролизёры расходуют 4 кВтч электроэнергии на получение одного кубического метра водорода из воды. При сжигании этого водорода может выделиться около 3,5 кВтч чистой энергии. Из этого следует, что водород может стать конкурентно-способным энергоносителем, если затраты энергии на его получение из воды понизить хотя бы до 2 кВтч/ . Это и есть главная задача начального периода развития водородной энергетики.
Решение этой задачи должно начинаться с анализа резервов снижения затрат энер-гии существующими электролизёрами. Они скрыты в их постоянном потенциале и мы по-кажем метод использования этого потенциала для снижения затрат электрической энергии на получение водорода из воды.
Но самый большой резерв снижения затрат энергии на электролиз воды скрыт в процессе фотосинтеза. Ежегодно при этом процессе из воды выделяются сотни миллио-нов кубометров водорода, атомы которого используются, как соединительные звенья при строительстве органических молекул. Для реализации этого процесса все живые организ-мы имеют собственные источники энергии.
А что если смоделировать указанный процесс в техническом устройстве? Тогда об-разующийся водород, не имея возможности участвовать в строительстве органических молекул, будет вместе с кислородом выходить в атмосферу. Устройства для локализации и разделения этих газов уже существуют. Главное условие, при котором идет указанный процесс электролиза воды, – небольшая величина тока.
Уже получены патенты на ряд таких устройств и их можно увидеть в действии. Конечно, это пока небольшие малопроизводительные лабораторные модели, но они ус-тойчиво разлагают воду на водород и кислород при силе тока 0,02-0,03 Ампера.
Установлено, что электрический потенциал на электродах, изготовленных из одно-го материала, появляется до заправки такого электролизера электролитом. Зарядка ячейки такого электролизера идет несколько минут. При отключении заряженной ячейки от сети на её электродах остаётся достаточный потенциал для продолжения процесса электролиза в течение нескольких часов. Из этого следует, что для поддержания такого электролизёра в рабочем состоянии, его необходимо периодически подзаряжать. В результате затраты энергии на получение водорода из воды уменьшаются в несколько раз.
Нетрудно представить, какие финансовые и интеллектуальные ресурсы мира вклю-чены в поиск способов снижения затрат энергии на получение водорода из воды. В Рос-сии этой проблемой занимаются многие научные учреждения отраслевой науки и учебных заведений, существует научно-исследовательский водородный институт. В США и Европе созданы ассоциации ученых по водородной энергетике.
Глобальность энергетической проблемы следует сейчас не из исчерпаемости неф-ти и газа, а из их экологической опасности. Однако мировых владельцев энергоресурсов пока мало волнует проблема экологической опасности современных энергоносителей.


18.1. Противоречия существующей теории электролиза воды

Полезность любой теории определяется её возможностями правильно интерпретиро-вать результаты уже существующих экспериментов и прогнозировать возможность полу-чения новых теоретических и экспериментальных данных. Посмотрим, отвечает ли этим требованиям, существующая теория электролиза воды?
В 1989 г. американские ученые Флешман и Понс сообщили о получении дополнитель-ной энергии при электролизе тяжелой воды и о том, что источником этой энергии являет-ся холодный ядерный синтез [67]. Сотни экспериментов были поставлены в разных стра-нах для проверки этого факта [23], [28], [50], [51], [65], [67], [73], [83], [103]. Часть иссле-дователей подтверждала его, а другая - получала отрицательный результат [67], [74]. При-чина такого состояния до сих пор остается неясной. Поэтому выполним новый анализ процесса электролиза воды и попытаемся разобраться с сутью, протекающих при этом процессов [109].
Главная цель электролиза воды - получение водорода, который считается наиболее перспективным энергоносителем будущей энергетики [39], [41], [49], [56], [57]. Лишь не-давно обнаружено, что в некоторых случаях при этом процессе выделяется избыточная энергия в виде тепла нагретого раствора [67]. Чтобы выяснить причину этого, проанали-зируем классический способ получения водорода путем электролиза воды. Он описан в учебниках. Химические реакции, протекающие при этом процессе, используются для расчетов его параметров. Они признаются предельно ясными и не вызывают возра-жений как среди химиков, так и среди физиков. Посмотрим, действительно ли здесь все так ясно?
Вот как описываются катодные и анодные реакции в учебнике [2]. "На катоде проте-кает следующая реакция:

[url=https://servimg.com/view/14768808/761][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (409)

Два электрона, поступающие с катода, реагируют с двумя молекулами воды, обра-зуя молекулу водорода и два иона гидроксила . Молекулярный водород образует пузырьки газообразного водорода (после того, как раствор вблизи катода насытится во-дородом), а ионы гидроксила остаются в растворе.
На аноде протекает реакция

[url=https://servimg.com/view/14768808/762][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (410)

Четыре электрона переходят на анод с двух молекул воды, которая разлагается с об-разованием молекулы кислорода и четырех ионов водорода.
Суммарную реакцию можно получить, умножая уравнение (409) на 2 и суммируя с уравнением (410). Она выглядит следующим образом:

[url=https://servimg.com/view/14768808/763][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (411)

... в кислых растворах, с высокой концентрацией ионов водорода, на катоде мо-жет просто протекать реакция
[url=https://servimg.com/view/14768808/764][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (412)

Закроем кавычки и зададим такой вопрос: что следует понимать под символом при таком изложении сути процесса электролиза? Естественно, означает положи-тельный ион атома водорода, то есть протон. Однако химики умудрились обозначить этим же символом и положительно заряженный ион гидроксония . Они давно при-няли соглашение: в целях упрощения записи, писать , вместо . Вот и прихо-дится гадать: всегда ли под химическим символом надо понимать совокупность символов или нет? А если нет, то, как же различать случаи "да" и "нет"? Ведь символ используется в многочисленных других химических реакциях.
Если согласиться с процессом электролиза, описанным в приведенном учебни-ке, то из него следует, что в водном растворе существуют протоны, которые автор обозначает символом . Имея положительный заряд, они движутся к катоду и, получив от него электрон , образуют вначале атомы водорода , которые, соединяясь, формируют молекулы , выделяя при этом 436 кДж/моль. По-другому ведь невозможно интерпретировать формулы (409), (411), (412).
Кроме того, из формул (410, 411) следует, что у анода идет процесс синтеза моле-кул кислорода из его атомов, который должен сопровождаться выделением энергии 495 кДж/моль [2]. Это также надо учитывать при анализе энергетического баланса процесса электролиза воды, но в современной химии не принято проводить такой анализ, так как из него следует обилие противоречий с экспериментом.
Первое противоречие. Введем, как это и должно быть, символ для обозначения только протона. Тогда реакция синтеза атома водорода запишется так:

[url=https://servimg.com/view/14768808/765][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (413)

Реакция синтеза молекулы водорода представится в виде:

[url=https://servimg.com/view/14768808/766][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (414)

Гипотеза о присутствии в различных химических растворах свободных протонов атомов водорода плодотворно используется в химии. Однако появление плазменного электролиза воды ставит эту гипотезу под сомнение. Дело в том, что протон - это такое активное образование, которое может существовать только в составе ядра атома или в со-ставе атома водорода (рис. 79), выполняя роль его ядра. Атом водорода – идеальное со-единительное звено, объединяющее атомы различных химических элементов в молекулы.
Таким образом, у протона почти отсутствует фаза существования в свободном со-стоянии. Отделившись от одного химического элемента, он тут же соединяется с другим.
При плазменном электролизе воды формируются такие условия, когда протон атома водорода, отделившись от молекулы воды, соединяется с электроном, испущенным катодом, и образует атом водорода. Известно, что атомы водорода существуют в свобод-ном состоянии при температуре (2700...5000) С [52]. Это означает, что при определенной плотности атомов водорода в единице объема должна формироваться плазма с такой тем-пературой. Но при низковольтном электролизе воды плазма атомарного водорода, как из-вестно, не образуется. Это значит, что в этом случае отсутствуют условия существования атомов водорода в свободном состоянии, то есть условия синтеза атомов водорода.
В современной химии известна энергия синтеза молекул водорода (436 кДж/моль), поэтому мы можем рассчитать примерное количество энергии, которое должно выделять-ся в электролитическом растворе при получении одного кубометра водорода в условиях, когда свободные атомы водорода объединяются в молекулы [2], [32], [52].
В одном кубическом метре водорода содержится 1000/22,4=44,64 моля молеку-лярного водорода. При его синтезе выделяется энергия:

[url=https://servimg.com/view/14768808/767][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (415)

Современные электролизеры расходуют на получение одного кубического метра во-дорода около 4 кВтч электроэнергии или (3600х4) = 14400 кДж. Учитывая энергию (19463,0 кДж) синтеза одного кубического метра водорода и энергию (14400 кДж), за-трачиваемую на его получение, находим показатель тепловой энергетической эффек-тивности низковольтного процесса электролиза воды:

[url=https://servimg.com/view/14768808/768][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (416)

Таким образом, простой и строгий расчет показывает, что процесс низковольтного электролиза воды должен сопровождаться выделением 35% дополнительной тепловой энергии только в зоне катода.
Обратим внимание на то, что показатель эффективности (416) учитывает только энергию синтеза молекул водорода и не учитывает энергию синтеза атомов водорода и молекул кислорода, а также энергосодержание полученного водорода. Этот показатель подтверждает возможность получения дополнительной энергии, но при условии, чтобы электролиз воды сопровождался процессом синтеза молекул водорода. Отсутствие до-полнительной тепловой энергии в работе современных промышленных электролизеров вынуждает нас делать вывод об отсутствии при этом процессе синтеза молекул водорода из его атомов.
Если согласиться с наличием процесса синтеза молекул кислорода, то в зоне анода должна протекать реакция
[url=https://servimg.com/view/14768808/769][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (417)

то есть должны формироваться молекулы кислорода и атомы водорода. Но, как из-вестно, при низковольтном электролизе воды в зоне анода выделяется только кислород.
Известно также, что при низковольтном процессе электролиза воды формирование (44,64 моля) водорода сопровождается выделением 22,32 моля молекулярного ки-слорода. В результате этого должно выделяться 495х22,32=11048,80 кДж энергии. Скла-дывая эту энергию с энергией синтеза молекул водорода, получим

[url=https://servimg.com/view/14768808/770][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (418)

Тогда общий показатель тепловой энергетической эффективности низковольтного процесса электролиза воды должен быть таким

[url=https://servimg.com/view/14768808/771][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (419)

Известно, что тепловой энергетический показатель современного низковольтного процесса электролиза воды меньше единицы. Это означает отсутствие синтеза молекул водорода и кислорода при этом процессе.
Возникает вопрос: каким образом формируются молекулы водорода и кислорода при низковольтном процессе электролиза воды? Дальше мы покажем, что молекулы во-дорода и кислорода выделяются из кластерных цепочек в сформировавшемся состоянии, то есть без процессов соединения отдельных атомов в молекулы.
Таким образом, если бы в современных электролизерах протекали бы химические реакции (415) и (417), то они имели бы показатель тепловой энергетической эффектив-ности больше единицы, как это следует из соотношений (416), (419). Отсутствие допол-нительной тепловой энергии при низковольтном процессе электролиза воды - результат отсутствия синтеза молекул водорода и кислорода из их свободных атомов.
Второе противоречие. Теперь проверим соответствие экспериментальным данным энергий связи атомов водорода в молекуле воды. Современная химическая теория дает значения энергий связей атомов водорода с атомом кислорода в молекуле воды, однако они отличаются от экспериментальных значений этих энергий.
Например, в книге по химии [2] приводится следующая величина энергии связи одного атома водорода (назовем его первым -H') с атомом кислорода (H'-OH) в молекуле воды [2]. Переведем ее в электрон-вольты в расчете на одну связь в молекуле воды

[url=https://servimg.com/view/14768808/772][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (420)

Энергия связи второго H'' атома водорода и атома кислорода (H'' - OH) в молеку-ле воды равна [2]. После перевода ее в электрон-вольты в рас-чете на одну связь получим

[url=https://servimg.com/view/14768808/773][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (421)

Если атомы водорода в молекуле воды имеют энергии связи, соответствующие энергиям, приведенным в формулах (420) и (421), то разрыв двух связей с энергиями 4,40 eV должен приводить к образованию молекулы водорода, а при разрыве двух связей с энергиями 5,21eV должна образовываться молекула кислорода. Тогда затраты энергии на образование одного кубического метра водорода и получаемого при этом кислорода со-ставят соответственно 424,00х44,64=18927,36 кДж и 502,00х22,32=11204,64 кДж. Об-щие затраты энергии на получение одного кубического метра водорода окажутся такими 18927,36+11204,64=30132,00кДж или 30132,00/3600=8,37 кВтч. Это почти в два раза больше экспериментальной величины. Следовательно, указанные (420) и (421) энергии связи атомов водорода с атомом кислорода в молекуле воды не соответствуют реально-сти.
В каком же эксперименте фиксируются реальные энергии связи атомов водорода с атомом кислорода в молекуле воды? Самыми близкими являются эксперименты по электролизу воды и спектроскопии. Возьмем минимальные затраты энергии на получе-ние водорода, установленные экспериментальным путем . Переведем эту энергию в кДж (kJ). 3,8 х 3600 = 13680 кДж. Учитывая, что молярный объём всех газов одинаков и равен 22,4 литра, находим количество молей молекулярного водорода в одном кубическом метре водорода 1000/22,4 = 44,64 моля. Тогда расход энергии на один моль водорода составит 13680/44,64 = 306,45 кДж, а на одну молекулу

[url=https://servimg.com/view/14768808/774][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (422)

Для образования молекулы водорода должно быть разорвано минимум две связи у двух молекул воды, следовательно, средняя энергия на одну связь составит 3,18/2 =1,59 eV. Мы учли затраты энергии только на выделение водорода, если же учесть затраты энергии и на выделение кислорода, то величина (422) будет еще меньше величин (420) и (421). Если учесть нагревание раствора и неизбежные потери энергии при электролизе, то у нас появляются основания признать, что энергия 1,59 eV близка к энергиям связи элек-трона в атоме водорода (табл. 9) в момент пребывания его на третьем (n=3) энергетиче-ском уровне (1,51eV). Она близка также к энергии связи первого электрона в атоме кисло-рода (1,53eV) в момент пребывания его на аналогичном энергетическом уровне (табл. 25). Из этого следует примерно равная вероятность отделения от молекул воды, как протонов, так и атомов водорода.
Анализируя энергетику процесса синтеза молекулы воды, мы показали, что если учитывать энергию синтеза этой молекулы (285,8 кДж/моль), то термическая энергия свя-зи между атомом водорода и атомом кислорода в молекуле воды оказывается равной 1,48 eV. Что также подтверждает ошибочность значений этой энергии, следующих из формул (420) и (421). Подробный анализ этого процесса будет проведен ниже.
Таким образом, в указанных выше таблицах нет энергий связи, соответствующих су-ществующим расчетам химиков (420), (421) и, наоборот, эти таблицы содержат энергии связи, вытекающие из нашего расчета существующего процесса электролиза воды и про-цесса синтеза молекулы воды.
Итак, у нас появились основания считать, что электрон в первом атоме водорода H' в молекуле воды и 1-й электрон атома кислорода находятся вблизи третьих энергетических уровней.
Как видно, существующая теоретическая химия имеет серьёзные противоречия с экспериментом, но химики уклоняются от поиска причин этих противоречий, проходят мимо возникающих вопросов.
Мы не найдем ответы на поставленные вопросы в рамках существующих физиче-ских и химических представлений о структуре молекулы воды и о процессе её электро-лиза. Поэтому у нас остается одна возможность: обратиться к собственным результатам исследований в этой области [8], [12], [13], [17], [18], [26], [33], [53], [70], [75], [109] и за основу взять структуру молекулы воды, следующую из структур атомов водорода (рис. 79) и кислорода (рис. 93, b).
Дальше мы приведем экспериментальные результаты прямого измерения энергии, расходуемой на электролиз воды. Из них следует, что реальные затраты энергии на элек-тролиз воды значительно меньше, чем считалось до сих пор. Все остальное – потери в ис-точнике питания, анализу которых не уделялось должного внимания.

18.2. Новая теория низковольтного процесса электролиза воды

Вооружившись полученной информацией, приступим к поиску новой теории про-цесса электролиза воды. Эта теория должна устранить существующие противоречия в описании процесса низковольтного электролиза воды и ответить на следующие фунда-ментальные вопросы:
1 - почему теоретические расчеты показывают наличие дополнительной тепловой энер-гии при низковольтном электролизе воды, а существующие промышленные электролизе-ры не генерируют её?
2 - почему существующие теоретические значения (420), (421) энергий связей атомов водорода в молекуле воды не соответствуют экспериментальным значениям этих энергий при электролизе воды?
Чтобы найти ответы на поставленные вопросы, необходимо иметь, прежде всего, теорию, которая позволяла бы рассчитывать энергии химических связей электронов с ядрами атомов в момент их пребывания на любом энергетическом уровне. По-скольку основную роль при электролизе воды играют атомы водорода и кислорода, то энергии связей их электронов с ядрами атомов играют решающую роль.
Как видно (табл. 9), в ряду энергий связей электрона с ядром атома водорода нет тех энергий , которые получают химики при своих расчетах (420), (421). Но энергии, близкие к экспериментальному значению (1,59 eV), при которых начинается и идет процесс выделения газов при электролизе воды, имеются в ряду энергий связи электрона атома водорода (1,51eV) (табл. 9) и первого электрона атома кислорода (1,53 eV) (табл. 25). Эти энергии соответствуют пребыванию электронов на третьих энергетических уровнях. Раньше, из анализа процесса синтеза молекулы воды, мы установили, что энер-гия связи между электронами атомов водорода и кислорода в молекуле воды равна 1,48eV (рис. 104).
Итак, среди энергий связи электрона атома водорода с его ядром (протоном) есть энергия (1,51 eV), близкая к экспериментальному значению (1,48 eV). Определим аналогичные энергии для электронов атома кислорода.
Поскольку в химических реакциях участвуют, в основном, поверхностные элек-троны атомов, которые имеют близкие значения энергий связи с ядрами атомов на одно-именных энергетических уровнях, то ограничимся анализом энергий связи первого элек-трона атома кислорода (табл. 25).
Как видно (табл. 25), энергии связи первого электрона атома кислорода практиче-ски совпадают с соответствующими энергиями связи электрона атома водорода (табл. 9). Причем, энергия, соответствующая третьему уровню (1,53 eV), близка к эксперименталь-ному значению энергии (1,48 eV) газовыделения при низковольтном электролизе воды. Так что теоретические значения энергий связи электрона первого атома водорода и пер-вого электрона атома кислорода в молекуле воды, полученные на основании закона фор-мирования спектров (210) и (211), близки к экспериментальным значениям этой энергии (табл. 25).
Теперь у нас появились веские основания полагать, что первый электрон атома кислорода, устанавливая связь с первым атомом водорода в молекуле воды, находится вблизи третьего ( ) энергетического уровня (табл. 25).
Анализируя закономерность изменения энергий связи электронов атома кислорода и других атомов с их ядрами, мы установили, что в условиях присутствия в атоме всех электронов они имеют примерно одинаковые энергии связи с ядрами атомов. Поэтому бу-дем считать, что симметричность молекулы воды обеспечивает равные (или близкие) энергии связи с ядром его первого и второго электронов.
Итак, мы сняли второе противоречие между теорией и экспериментом при электро-лизе воды. Теперь экспериментальное значение энергии связи электрона атома водорода с первым электроном атома кислорода в молекуле воды близко к теоретическому значе-нию этой энергии.
Низковольтный процесс электролиза воды обычно идет при напряжении (1,6 - 2,3) V и силе тока в сотни ампер. Большая сила тока свидетельствует о большом расходе электронов.
Поскольку первый и второй электроны атома кислорода удалены от его ядра дальше других электронов, то протон атома водорода, связанный с одним из этих элек-тронов, первым приближается к катоду и получает от него электрон (рис. 204, а). По-сле того, как две молекулы воды получат по электрону , их поверхностные электроны сразу же соединяются и образуют кластер из двух молекул воды (рис. 204, а, b), соеди-ненных двумя электронами , испущенными катодом. Как видно, в цепочке протонов и электронов, соединяющих две молекулы воды, присутствует молекула ортоводорода (рис. 83, a и 204, а, b). Так как электроны, пришедшие от катода, прошли фазу свободного со-стояния, то синтез молекулы водорода в этой цепочке сопровождается выделением энер-гии.
На рис. 204, а и b видно, что на образование одной молекулы водорода используется два электрона , испущенные катодом. В соответствии с законом Фарадея, на образова-ние одного моля водорода в этом случае расходуется два Фарадея Кулонов электричества или .
Если электролиз идет при напряжении 1,70V, то на получение одного моля водо-рода будет израсходовано , а на получение -

[url=https://servimg.com/view/14768808/775][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (423)

Как видно, расчеты с использованием закона Фарадея дают результат, почти совпа-дающий с экспериментом. Если бы образование водорода сопровождалось процессом синтеза его молекул, то выделялась бы тепловая энергия

[url=https://servimg.com/view/14768808/776][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (424)



Рис. 204. Схема образования молекулы ортоводорода (см. рис. 83, а)

При этом если учитывать синтез только молекул водорода и не учитывать синтез молекул кислорода, то показатель тепловой энергетической эффективности должен быть таким

[url=https://servimg.com/view/14768808/777][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (425)

Однако, хорошо известно, что общий показатель тепловой энергетической эффек-тивности современных электролизеров меньше единицы. Почему? Попытаемся найти от-вет на этот вопрос.
Энергия синтеза одного моля молекул водорода равна 436кДж. Переведем её в электрон-вольты в расчете на одну молекулу [109].

[url=https://servimg.com/view/14768808/778][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (426)

Величина этой энергии показана справа от молекулы водорода, расположенной в кластерной цепочке (рис. 204), а слева показаны энергии 1,48eV связи атомов водорода с атомами кислорода в молекулах воды. Энергия 4,53eV синтеза молекулы водорода пере-распределяет энергии связи в кластерной цепочке таким образом, что энергии 1,48eV свя-зи атомов водорода с атомами кислорода в молекулах воды становятся равными нулю и молекула ортоводорода выделяется из кластерной цепочки (рис. 204, с).
Таким образом, разность между энергией 4,53eV синтеза молекулы водорода и суммарной энергией связи (1,48+1,48) = 2,96 eV оказывается равной (4,53 – 2,96)=1,57eV. Эта энергия расходуется на нагревание электролитического раствора. Поэтому при выде-лении водорода выделится не 44,64х436=19463 кДж, а следующее количество теп-ловой энергии

[url=https://servimg.com/view/14768808/779][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (427)

При этом у катода будет идти химическая реакция

[url=https://servimg.com/view/14768808/780][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (428)

Вполне естественно, что количество тепловой энергии 12728кДж является ча-стью общей энергии 4х3600 = 14400 кДж, расходуемой на получение одного кубического метра водорода [109]. Показатель тепловой эффективности этого процесса окажется та-ким

[url=https://servimg.com/view/14768808/781][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (429)

Важно иметь в виду, что энергию синтеза молекул кислорода мы не учли. Если же учитывать энергию синтеза молекул кислорода, то надо знать сколько кислорода выделят-ся при получении 1000 литров водорода. Известно, что из одного литра воды можно полу-чить 1234,44 литра водорода и 604,69 литра кислорода. Тогда при выделении 1000 литров водорода выделится 60469/1234,4=489,86 литра кислорода. Учитывая, что энергия, выде-ляющаяся при синтезе одной молекулы кислорода, равна 4,95 eV (5,13 Кдж/моль), найдем количество энергии, которая выделится при синтезе 489,86 литров кислорода.

[url=https://servimg.com/view/14768808/782][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (430)

Тогда общий показатель тепловой эффективности будет равен

[url=https://servimg.com/view/14768808/783][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (431)

Если учесть, что энергосодержание одного грамма водорода равно 142 кДж, а кубический метр этого газа весит 90 гр., то показатель общей энергетической эффектив-ности будет таким

[url=https://servimg.com/view/14768808/784][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (432)

Таким образом, показатель общей тепловой эффективности (431) существующего низковольтного процесса электролиза воды меньше единицы.
Рассмотрим теперь реакции, протекающие у анода. Известно, что ион гидроксила (рис. 100), имея отрицательный заряд , движется к аноду (рис. 205, а). Два иона гид-роксила, отдавая по одному электрону аноду и, соединяясь, друг с другом, образуют пе-рекись водорода (рис. 205, b).

[url=https://servimg.com/view/14768808/785][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 205. Схемы: а) передача электронов ионами аноду А; b) образование пере-киси водорода ; с) образование молекулы кислорода и двух молекул воды d) и e)

Известно, что процесс образования перекиси водорода эндотермический, а молеку-лы кислорода - экзотермический. При получении одного кубического метра водорода процесс образования перекиси водорода поглощает 22,32х109,00=2432,88 кДж. В силу этого даже при плазмоэлектролитическом процессе температура раствора в зоне анода остаётся низкой.
Если бы существовал процесс синтеза молекул кислорода, то при получении одно-го кубического метра водорода в зоне анода выделилось бы 22,32х495,00=11048,40 кДж. Вычитая из этой величины энергию, поглощенную при синтезе перекиси водорода, полу-чим 11048,40-2432,88=8615,52 кДж. Складывая эту энергию с энергией синтеза молекул водорода 19463,00 кДж, получим 28078,52 кДж. В этом случае общий показатель тепло-вой энергетической эффективности должен быть таким =28078,52/14400=1,95. По-скольку в реальности этой энергии нет, то этот факт подтверждает гипотезу об отсутствии процесса синтеза молекул водорода в зоне катода и молекул кислорода в зоне анода при низковольтном электролизе. Молекула водорода (рис. 204, c) и молекула кислорода (рис. 205, b,c) формируются в кластерных цепочках до выделения в свободное состояние, по-этому и не генерируется энергия их синтеза.
После передачи двумя ионами гидроксила двух электронов аноду (рис. 205, а) об-разуется молекула перекиси водорода (рис. 205, b), которая, распадаясь, образует моле-кулу кислорода (рис. 205, с) и два атома водорода. Последние, соединяясь с ионами гид-роксила, образуют две молекулы воды (рис. 205, d,e). С учетом этого химическая реакция в зоне анода запишется так

[url=https://servimg.com/view/14768808/786][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (433)

Итак, мы сняли противоречия существующей теории низковольтного процесса электролиза воды и разработали новую теорию, которая детальнее описывает этот про-цесс и точнее отражает реальность.

18.3. Анализ процесса питания электролизёра

Электролизёр – это совокупность пластинчатых анодов и катодов, каждая пара ко-торых называется ячейкой. Раствор размещается между пластинами электродов. Источни-ком питания электролизёров является постоянное или выпрямленное сетевое напряжение 1,6…..2,0 Вольта, подаваемое на каждую ячейку электролизёра.
Известно также, что все электролизёры, заряжаясь в начале работы, приобретают постоянный потенциал , свойственный конденсатору. Величина этого потенциала уве-личивается с увеличением количества ячеек в электролизёре (рис. 206).

[url=https://servimg.com/view/14768808/787][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 206. Осциллограмма напряжения и тока питания электролизёра: 1 – импульс напря-жения; 2 – импульс тока; - средняя величина постоянного потенциала

Поскольку электрическая сеть электролизёра связана со всей электрической сетью, то приборы, измеряющие мощность, потребляемую электролизёром, формируют показа-ния, в которых учитывается величина постоянного потенциала , принадлежащая элек-тролизёру, и средняя величина, формирующегося при этом электрического тока.
На рис. 206 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 под-зарядка электролизёра.
Таким образом, при длительной работе электролизёра его достаточно подзаряжать импульсами напряжения, амплитуда которых должна несколько превышать величину среднего потенциала . Вполне естественно, что средняя величина напряжения такого импульса зависит от скважности импульсов. С увеличением скважности она уменьшает-ся.
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 вели-чины потенциала, необходимого для подзарядки электролизёра. Так работают все совре-менные электролизёры, и все варианты совершенствования такого способа его питания уже задействованы. Из изложенного следует, что реальная энергия, затрачиваемая на про-цесс электролиза воды, меньше той, которую показывают приборы.
Сейчас приборы показывают, что лучшие современные промышленные электроли-зёры расходуют до 4 кВтч электроэнергии на получение одного кубического метра во-дорода. Это больше энергии, которая выделяется при его сжигании.
Таким образом, указанный анализ расхода энергии на процесс электролиза воды показывает, что он имеет резервы для снижения затрат энергии на получение водорода из воды. Чтобы реализовать их, надо детальнее изучить процесс питания электролизёра. На рис. 207 показана электрическая схема для такого изучения.
Электронный ключ 3 генерирует импульсы напряжения, разрывая электрическую цепь и связь постоянного потенциала электролизёра 1 с постоянным потенциалом аккуму-лятора 2.

[url=https://servimg.com/view/14768808/788][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 207. Схема импульсного питания электролизёра 1 от аккумуляторной батареи 2

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

[url=https://servimg.com/view/14768808/789][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (434)
[url=https://servimg.com/view/14768808/790][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (435)
[url=https://servimg.com/view/14768808/791][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (436)

Возникает вопрос: какую же мощность потребляет электролизёр? Для получения ответа на этот вопрос проанализируем осциллограммы напряжений и токов, представлен-ные на рис. 208, 209 и 210.

[url=https://servimg.com/view/14768808/792][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 208. Осциллограммы напряжения и тока на клеммах электролизёра 1 (рис. 207)

Как видно (рис. 206, 208), величина импульсов напряжения (1) больше величины постоянного потенциала электролизёра. Импульсы восстанавливают его до средней величины, после чего напряжение вновь уменьшается. Следующий импульс восстанавли-вает напряжение электролизера до средней величины. При этом импульсы тока (2) гене-рируются синхронно.
Сразу возникает вопрос: какую мощность должны иметь импульсы для подзарядки электролизера? На рис. 209 эти импульсы представлены без постоянного потенциала электролизёра и их мощность определить легко.

[url=https://servimg.com/view/14768808/793][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 209. Осциллограммы напряжения и тока перед диодом 4 (рис. 207)

Современная литература по импульсной технике даёт такой ответ: мощность, пода-ваемая импульсами напряжения и тока (рис. 209), равна произведению амплитудных зна-чений напряжения и тока, делённому на скважность импульсов. Нетрудно видеть, что ам-плитуда импульса напряжения равна 12,5 V, а амплитуда импульса тока – 1,30 А. Скваж-ность импульсов равна . Тогда, как считается сейчас, мощность, идущая на пита-ние электролизёра такими импульсами составит . Эта величина близка к показаниям приборов, установленных перед электролизёром, и совпадает с величиной мощности на клеммах аккумуля-тора .
На рис. 210 видно, что напряжение аккумулятора не реагирует на импульсы напря-жения, а величина тока на пути от электролизёра (рис. 207) до аккумулятора остаётся неизменной (рис. 210).

[url=https://servimg.com/view/14768808/794][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 210. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах аккумулятора 2 (рис. 207)

В опыте использовался мини электролизёр с производительностью литра водорода в час. С учетом показаний разных приборов и результатов, представленных в формулах (434), (435) и (436), удельная мощность составляла:

[url=https://servimg.com/view/14768808/795][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (437)
[url=https://servimg.com/view/14768808/796][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (438)
[url=https://servimg.com/view/14768808/797][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (439)

Вполне естественно, что общий ток и разные напряжения в разных сече-ниях электрической цепи формируют разную мощность, и возникает вопрос: какая мощ-ность расходуется на питание электролизера?
Средняя величина тока , которую показывает амперметр, равна импульс-ной величине 1,3 А, деленной на скважность импульсов . Поэтому вполне естест-венно, что на клеммах электролизёра мощность равна На клеммах аккумулятора мощность несколько больше .
Имеем ли мы право определять мощность (438) на клеммах диода, умножая среднюю величину тока на амплитудное значение импульса напряжения, равное ? Ведь напряжение подаётся не постоянно, а импульсами, поэтому мы им-пульсное значение напряжения также должны разделить на скважность . В ре-зультате будем иметь . Это близко к показаниям вольтметра . В результате получим

[url=https://servimg.com/view/14768808/798][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (440)

или на один литр водорода

[url=https://servimg.com/view/14768808/799][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (441)

Это значение близко к величине, представленной в формуле (434). Вводим в цепь питания электронный генератор импульсов. Результаты эксперимента представлены в табл. 57. Частота импульсов составляла 350 Гц, а скважности импульсов S = 1; 5; 10. Электролизёр имел 6 мини ячеек.

[url=https://servimg.com/view/14768808/800][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Обратим внимание на то, что при увеличении скважности в 10 раз (S=10) произво-дительность электролизёра уменьшилась в 4 раза. Удельные затраты мощности по показаниям приборов перед диодом также уменьшились в 5,6 раза.
Нетрудно видеть (рис. 209, 210 и табл. 57), 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 произ-водительность, а напряжение остаётся почти постоянным и равным напряжению на клем-мах аккумулятора ( ), что и увеличивает удельный расход мощности .
Если напряжение подаётся импульсами (рис. 209), то среднее напряжение импульсов, показываемое вольтметром уже не равно напряжению постоянного потенциала элек-тролизера 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 на-пряжения ( ).
Однако, нагрузка на клеммах аккумулятора определяется не средним значением импульсного напряжения, а его постоянной величиной. Из этого следует невозможность уменьшить расход энергии аккумулятором путём подачи энергии импульсами. Мощность на клеммах аккумулятора всегда равна произведению тока на напряжение на его клеммах.
Анализ процесса электролиза воды показывает, что с увеличением скважности им-пульсов производительность электролизёра должна уменьшаться, что полностью под-тверждается данными табл. 57.
Как видно, с увеличением скважности импульсов в десять раз производительность уменьшается в четыре раза, а удельный расход мощности на клеммах электролизёра и на клеммах аккумулятора увеличивается. Из этого следует, что при уменьшении ин-тенсивности 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?
Конечно, результат эксперимента зависит и от конструкции электролизёра. Незна-чительное изменение его параметров изменяет получаемые результаты (табл. 58).
[url=https://servimg.com/view/14768808/801][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Изложенное показывает, что величины удельной мощности на клеммах элек-тролизёра и на клеммах аккумулятора явно не отражают реальность (табл. 57, 58). По-этому надо уделить внимание анализу удельной мощности на клеммах диода. Если удельный расход энергии – величина почти постоянная, то производительность электро-лизёра при уменьшении скважности импульсов в 10 раз должна уменьшиться также, при-мерно, в 10 раз, но она уменьшилась лишь в 4 раза (табл. 57) и в 2 раза (табл. 58). Это оз-начает, что прекращение подачи напряжения не останавливает процесс электролиза воды. Он продолжается за счёт постоянного потенциала. Уменьшение его величины, зафиксиро-ванное на осциллограммах (рис. 206, 208), подтверждает это.
Анализ процесса питания электролизёра и процесса расхода им энергии показывает наличие резервов уменьшения затрат энергии на электролиз воды, реализация которых аналогична реализации её тепловой энергетической эффективности.
Сейчас покажем, что этот же эффект проявляется и при питании электролизера с по-мощью магнето, приводимого во вращение электромотором, включенным в общую элек-трическую сеть.
Экспериментально установлено, что если магнето подаёт в электролизер импульсы напряжения 1, амплитуда которых больше постоянного электрического потенциала электролизёра, то этих импульсов достаточно для подзарядки электролизёра (рис. 206). Мы уже знаем, что мощность, формирующаяся на общем валу электромотора и магнето (399), равна произведению средней величины импульса напряжения 1 на среднюю вели-чину импульса тока 2 (рис. 206). Указанная величина значительно меньше величины про-изведения постоянного потенциала на среднюю величину тока.
На рис. 211 показана схема соединения источников питания и измерительных при-боров. При проведении эксперимента в качестве ячеек использованы электроды из нержавеющей стали газогенератора «Аква – Терм», изготовляемого Азовским ПО «Дон-прессмаш».
Затраты энергии на получение водорода из воды при использовании электромеха-нического генератора импульсов зависят от амплитуды импульсов тока и их скважности (табл. 59 и 60).

[url=https://servimg.com/view/14768808/802][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 211. Схема питания электролизёра: 1 – электролизёр; 2 – выпрямитель; 3 – магнето ГОСТ 3940-84; 4 – электромотор; 5 – единый вал магнето 3 и электромотора 4; 6 – ватт-метр PX – 110; 7 – ЛАТР; 8 – счетчик электроэнергии СО – И446М; А – амперметр М-2015; V – вольтметр М-2004; OS – осциллограф TDS 2014.

Электродвигатель Axi 2826/12 использовался как генератор импульсов. Он генери-ровал треугольные импульсы напряжения, которые подавались в экспериментальную ячейку электролизёра. Результаты эксперимента представлены в табл. 59 и 60.

[url=https://servimg.com/view/14768808/803][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Длительность импульсов напряжения и треугольных импульсов тока (рис. 212) одинакова. Специалист легко может установить, что период следования импульсов равен , длительность импульсов . Поскольку форма импульсов, генери-руемых генератором, - треугольная, то скважность импульсов . Средняя величина напряжения оказывается такой В, а тока А. Вполне естест-венно, что средняя мощность на валу генератора импульсов должна быть равна

[url=https://servimg.com/view/14768808/804][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (442)
или
[url=https://servimg.com/view/14768808/805][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (443)

[url=https://servimg.com/view/14768808/806][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 212. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах экспериментального
электролизёра (табл. 59)

Как видно (табл. 59), эта величина(0,65 Bm) близка к показаниям осциллографа (табл. 59, пункт 12) и показаниям счётчика электроэнергии (табл. 59, пункт 14). Мы уже отмечали многократно, что в современной электротехнике такой метод определения сред-ней мощности считается ошибочным, так как импульсы напряжения и тока меняются син-хронно, то они имеют единую скважность и её надо учитывать в расчете мощности один раз, то есть

[url=https://servimg.com/view/14768808/807][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (444)

Обратим внимание на то, что результат (444) близок к показаниям вольтметра и ам-перметра (табл. 59, пункт 6) 2,03х2=4,06 Вт. Поэтому формула (444) была признана пра-вильной. Факт подзарядки электролизёра генератором импульсов не учитывался, да и не-ясно было, как это сделать. В результате минимально возможный расход электроэнергии на получение литра водорода был признан равным, примерно, 4,0 Втч.
Однако, результаты эксперимента (табл. 59) и расчеты по формуле (399) дают дру-гой результат.
При этом, в качестве прибора, контролировавшего корректность обработки осцил-лограмм, использовался счетчик электроэнергии. Разность его показаний при включенной и отключенной ячейке (табл. 59, строка 12) показывает корректность формулы (399) и ошибочность формулы (398). Показания счетчика энергии несколько больше показаний осциллограммы и это естественно, так как осциллограмма учитывала чистую энергию на клеммах ячейки электролизера, а счетчик учитывает ещё и электрические потери в обмот-ках генератора импульсов, когда по ним протекает ток. Осциллограмма эти потери не учитывает.
Конечно, надо иметь ввиду, что с увеличением силы тока растут потери в обмот-ках генератора импульсов. В результате должны увеличиваться расхождения в показаниях счетчика электроэнергии и осциллографа, но корректность формулы должна (399) сохра-няться. Именно это мы и наблюдали в многочисленных опытах.
Конечно, весьма желательно проверить влияние большой скважности импульсов напряжения и тока на эффективность процесса электролиза воды. Но у нас не было элек-тромеханического генератора импульсов с большей скважностью. Тем не менее, если не менять метод обработки осциллограмм, то это можно проверить и с помощью электронно-го генератора импульсов. Результаты такой проверки представлены в табл. 60.
Сравнивая результаты экспериментов, представленные в табл. 59 и 60, видим, что удельные затраты энергии на получение водорода из воды зависят, главным образом от скважности импульсов напряжения и тока. С увеличением скважности импульсов напря-жения с 5,55 (табл. 59) до 220 (табл. 60) расход энергии на получение водорода из воды уменьшается почти на порядок.
А теперь представим, что сделан электромеханический аналог (рис. 177) для пита-ния по схеме, представленной на рис. 209. 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 им-пульсам на рис. 209 уменьшиться, примерно, в 50 раз. Теперь подключаем импульсную нагрузку с той же величиной тока 1,30 А.

[url=https://servimg.com/view/14768808/808][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Средняя величина напряжения (рис. 177, 209) будет равна амплитуде импульса напряжения, делённой на скважность импульсов. Средняя величина тока (рис. 177, 210) также будет равна амплитуде импульса тока, делённой на скважность импульсов. Вполне естественно, что средняя мощность будет равна произведению средних значений напря-жения и тока. Это значит, что нагрузка на валу такого генератора увеличится на величи-ну, равную произведению средней величины напряжения на среднюю величину тока. Её можно определить и путём деления произведений амплитудных значений напряжения и тока на скважность импульсов дважды (399). Если же мы разделим произведение ампли-тудных значений напряжения и тока на скважность один раз (398), то это будет означать, что электромеханический генератор генерирует напряжение не в узком секторе (рис. 177), а по всему контуру окружности ротора.
Таким образом, экспериментально доказано, что прямые затраты энергии на элек-тролиз воды существующими электролизерами значительно меньше тех, что показывают приборы современных источников питания таких электролизёров. 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 водо-рода, равный 4 кВтч.
В соответствии с данными, представленными в табл. 59 и 60, реальные энергии связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды можно принять равными 0,40 Втч/литр водорода. Это в 4,00/0,40=10 раз меньше, чем считалось до сих пор.
Поскольку при электролизе воды выделяется примерно 2/3 водорода и 1/3 кисло-рода, то расход энергии на получение одного кубометра водорода с учетом принятой ве-личины составит примерно 0,4 кВтч или 3600х0,4=1440кДж. Один кубический метр со-держит 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

[url=https://servimg.com/view/14768808/809][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (445)

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 энер-гетический уровень электрона атома водорода, на котором он находится в момент отделе-ния 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 мо-ля водорода окажутся такими

[url=https://servimg.com/view/14768808/810][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (446)

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 соста-вят примерно 0,2 Втч. Это соответствует эксперименту (табл. 60, 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 0,2 Втч/л соответствует процессу диссоциации молекул воды, то мы можем определить температуру, при которой начинается процесс, эквивалентный рассмотренному.
Из приведенных расчетов следует, что величина 0,2 Втч/л соответствует энергии связи между атомами водорода и кислорода в молекуле воды равной , а энер-гия фотона, разрушающего эту связь , а длина его волны будет равна

[url=https://servimg.com/view/14768808/811][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (447)

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

[url=https://servimg.com/view/14768808/812][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (448)

или

[url=https://servimg.com/view/14768808/813][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (449)

Величина этой температуры по шкале Цельсия равна 819,57-237,15=546,42 , что близко к её справочному значению [242].
Конечно, молекула воды в этот момент находится под термическим напряжением, которое при электролизе заменяется электростатическим напряжением, формируемым по-стоянным потенциалом (рис. 206).
Мы вплотную подошли к анализу энергетики процесса разложения воды на водо-род и кислород при фотосинтезе, который идет под действием тепловых инфракрасных фотонов. Изложенная информация показывает, что для получения одного литра водорода достаточно 0,2 Втч электроэнергии. Если вести электролиз при напряжении 2 Вольта на ячейку, то средняя величина тока при этом составит 0,2/2=0,1 А. 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 электро-лиз 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 совершенствова-ния самого электролизёра, а путем совершенствования источника его питания.

18. 4. Низкоамперный электролиз воды

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десят-ков и сотен ампер. В соответствии с законом Фарадея, затраты энергии на получение од-ного кубического метра водорода в этом случае составляют около 4 кВтч/ [199]. Ми-нимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, равно 1,23 В [242].
В последние годы растёт интерес к водородной энергетике. Объясняется это тем, что водород является неисчерпаемым и экологически чистым энергоносителем. Однако реа-лизация этих качеств сдерживается большими затратами энергии на получение его из во-ды. Проблему уменьшения затрат энергии на получение водорода из воды решают многие лаборатории мира, но существенных результатов нет. Между тем в Природе существует экономный процесс разложения молекул воды на водород и кислород. Протекает он при фотосинтезе. При этом атомы водорода отделяются от молекул воды и используются в ка-честве соединительных звеньев при формировании органических молекул, а кислород уходит в атмосферу.
Известно, что при фотосинтезе поглощается углекислый газ . Считается, что углерод молекулы идет на построение клеток растений, а кислород выделяет-ся [46]. Теперь у нас есть основания усомниться в этом и предположить, что молекула целиком используется на построение клеток растений. Кислород же выделяют моле-кулы воды, а атомы водорода молекул воды используются в качестве соединительных звеньев молекул, из которых строятся клетки растений.
Возникает вопрос: а нельзя ли смоделировать электролитический процесс разложе-ния воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе?

[url=https://servimg.com/view/14768808/814][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 213. Схема молекулы воды: 1,2,3,4,5,6,7,8 - номера электронов атома кислоро-да; - ядра атомов водорода (протоны); и - номера электронов атомов водо-рода

Анализ структуры молекулы воды (рис. 213), разработанной нами, показывает воз-можность электролиза воды при минимальном токе. На рис. 213 представлена схема мо-лекулы воды с энергиями связи между атомами водорода и кислорода в условиях, когда молекула воды находится в нейтральной среде, без ионов щелочи или кислоты, а также без электрического потенциала, который бы действовал на такие ионы.
Протоны атомов водорода в молекулах воды могут соединяться между собой и об-разовывать кластеры. В результате в цепи кластера образуется молекула ортоводорода (рис. 214).

[url=https://servimg.com/view/14768808/815][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 214. Схема образования ортоводорода: а) и b) схемы молекул воды; с) ортоводород

Возникает вопрос: а нельзя ли выделить эту молекулу из такого кластера? Энергия связи между двумя протонами атомов водорода в двух молекулах воды, равная 0,485 eV, определена из условия разрыва этой связи при испарении молекул воды. Она меньше энергий связи (1,48 eV) между электронами атома кислорода и атомов водорода. Конечно, кластер из двух молекул воды на рис. 214 имеет на концах протоны, что означает, что та-кой кластер может ориентироваться в электрическом поле только в направлении катода. Вот почему чистая дистиллированная вода имеет бесконечно большое сопротивление и не проводит электрический ток. Если же в воде имеются ионы, например, ион , то мо-жет сформироваться кластер с разными зарядами на концах. Такой кластер будет ориен-тироваться в электрическом поле между анодом и катодом (рис. 215).
На рис. 215 показан анод слева, а катод справа. Протон Р атома водорода в молеку-ле воды ориентирован к катоду, а другой протон этой молекулы соединяется с протоном иона (слева). В результате образуется кластерная цепочка, с правой стороны которой расположена молекула воды , слева - ион (рис. 215, а), а в центре - молекула ортоводорода (рис. 215, а, b).
Обратим внимание на то, что осевой электрон атома кислорода и шесть кольцевых электронов иона притягиваются к аноду одновременно (см. рис. 173, а и 215, а сле-ва). Электростатические силы, притягивающие шесть кольцевых электронов к аноду, де-формируют электростатическое поле так, что осевой электрон приближается к ядру атома кислорода, а шесть кольцевых электронов удаляются от ядра атома. В этом случае энергии связи между протонами и электронами в сформировавшейся таким образом молекуле во-дорода распределяются так, что энергия связи между атомами водорода в его молекуле увеличивается до 4,53 eV, а между электронами атомов кислорода в ионах и элек-тронами атомов водорода становятся равными нулю и молекула водорода выделяется из кластерной цепочки. Два атома кислорода образуют его молекулу, и она также выделяет-ся.

[url=https://servimg.com/view/14768808/816][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 215. Схема процесса низкоамперного электролиза

Таким образом, в электролитическом растворе под действием электростатического поля формируются сложные кластерные цепочки со строгой ориентацией между анодом и катодом [200]. Под действием электрического поля кластерная цепочка удлиняется, од-новременно изменяются и энергии связи между элементами такой цепочки. Если мы возьмём за основу результаты эксперимента, приведенные на рис. 215, а, то минимальная энергия (≈4 Вт), при которой идет процесс электролиза, приведенная к энергии связи (0,17 eV) между электронами иона в цепочке (рис. 215, а) и молекулы воды, оказывается порядка 0,17 eV. Две таких связи дают энергию 0,34 eV, что меньше энергии 0,485 eV , при которой кластер из двух молекул разрывается при испарении молекул воды. Кроме этого, формирование молекулы ортоводорода увеличивает энергию связи между атомами водорода с 0,485 eV до 4,53 eV. Энергии связи 0,17 eV (рис. 215, а) уменьшаются до нуля (рис. 215, b) и сформировавшаяся молекула ортоводорода оказывается свободной.
Конечно, это упрощенная схема. При более сложном процессе возможно формирование молекул перекиси водорода перед образованием молекулы кислорода. Именно к этому приводит малейшее нарушение оптимального сочетания параметров процесса электроли-за.
Рассмотрим теперь реакции, протекающие у анода. Известно, что ион гидроксила (рис. 173, а), имея отрицательный заряд , движется к аноду (рис. 215, а). Два иона гидроксила, отдавая по одному электрону аноду и, соединяясь, друг с другом, образуют перекись водорода (рис. 205, b).
Известно, что процесс образования перекиси водорода эндотермический, а молеку-лы кислорода - экзотермический. При получении одного кубического метра водорода процесс образования перекиси водорода поглощает 22,32х109,00=2432,88 кДж. В силу этого даже при плазмоэлектролитическом процессе температура раствора в зоне анода остаётся низкой.
Если бы существовал процесс синтеза молекул кислорода, то при получении одно-го кубического метра водорода в зоне анода выделилось бы 22,32х495,00=11048,40 кДж. Вычитая из этой величины энергию, поглощенную при синтезе перекиси водорода, полу-чим 11048,40-2432,88=8615,52 кДж. Складывая эту энергию с энергией синтеза молекул водорода 19463,00 кДж, получим 28078,52 кДж. В этом случае общий показатель тепло-вой энергетической эффективности должен быть таким =28078,52/14400=1,95. По-скольку в реальности этой энергии нет, то этот факт подтверждает гипотезу об отсутствии процесса синтеза молекул водорода в зоне катода и молекул кислорода в зоне анода при низковольтном электролизе. Молекула водорода (рис. 204, с) и молекула кислорода (рис. 205, b) формируются в кластерных цепочках до выделения их в свободное состояние, по-этому и не генерируется энергия их синтеза.
После передачи двумя ионами гидроксила двух электронов аноду (рис. 205, а) об-разуется молекула перекиси водорода (рис. 205, b), которая, распадаясь, образует моле-кулу кислорода (рис. 205, с) и два атома водорода; последние, соединяясь с ионами гидро-ксила, образуют две молекулы воды (рис. 205, d,e). С учетом этого химическая реакция в зоне анода запишется так

[url=https://servimg.com/view/14768808/817][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (450)

18.5. Экспериментальная проверка гипотезы низкоамперного электролиза воды
Поиск условий моделирования процесса разложения воды на водород и кислород, ко-торый идет при фотосинтезе, привел к простой конструкции ячейки (рис. 216).

[url=https://servimg.com/view/14768808/818][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 216. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)

Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным.
Прежде всего, отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электроли-тического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрица-тельный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.
Отметим особо важный момент. Зазор между электродами низковольтного электро-лиза соизмерим с размером пузырей газа, поэтому, поднимаясь вверх, пузыри газа спо-собствуют механическому разрушению связей между атомами в молекулах и кластерах. На это, как мы уже показали, энергии тратится меньше, чем на термическое разрушение этих связей. Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в од-ном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 62, 63).
Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пу-зырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конеч-но, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.
Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды.
Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра генериру-ет небольшое количество газов, то самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчета выделившегося водорода и кислорода.
Для дальнейших расчётов необходимо иметь информацию о плотности водорода при различной температуре. Она представлена в табл. 61 [242].

[url=https://servimg.com/view/14768808/819][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Примем плотность, соответствующую С и равную 0,0846 гр. /л.
Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в моле-куле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16 граммам. Грамм-молекула воды равна 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водоро-да и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.
Один литр водорода весит 0,0846 гр., а один литр кислорода -1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,0846=1313,36 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода. Из этого следует, что один грамм воды содержит 1,31 литра водорода [210].
Затраты электроэнергии на получение 1000 литров водорода сейчас составляют 4 кВтч, а на один литр – 4 Втч. Поскольку из одного грамма воды можно получить 1,31 лит-ра водорода, то на получение водорода из одного грамма воды сейчас расходуется 1,31х4=5,25 Втч.

Инструменты и оборудование, использованные при эксперименте

Специальный экспериментальный низкоамперный электролизер (рис. 216); вольт-метр М2004 класса точности 0,2 (ГОСТ 8711-78); амперметр М20015 класса точности 0,2 (ГОСТ 8711-60); электронные весы с ценой деления 0,01 грамма; секундомер с ценой деления 0,1с; электронный осциллограф АСК-2022.
В табл. 62 представлены результаты работы лабораторной модели электролизёра при питании выпрямленным током без импульсов.

[url=https://servimg.com/view/14768808/820][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]
В табл. 63 представлены результаты эксперимента при питании электролизера им-пульсами выпрямленного напряжения и тока (рис. 220-223).

[url=https://servimg.com/view/14768808/821][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

На рис. 217-221 показаны осциллограммы напряжения и тока на входе в электро-лизёр


Рис. 217. Напряжение [url=https://servimg.com/view/14768808/822][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]
Рис. 218. Напряжение [url=https://servimg.com/view/14768808/823][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]
Рис. 219. Напряжение [url=https://servimg.com/view/14768808/824][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

На рис. 217 показана осциллограмма напряжения при частоте импульсов около 200Гц. Масштаб записи один к одному. Импульсы не видны, так как их амплитуда ни-чтожно мала. Измерения показывают, что на осциллограмме зафиксировано напряжение около 13,5 Вольт. Вольтметр показывал в это время 11,4 Вольта.
На рис. 218 показана осциллограмма напряжения на входе в электролизёр через 1 секунду после отключения его от сети. Как видно, низкоамперный электролизер имеет по-стоянную составляющую электрического потенциала. Это исключительно важный факт, объясняющий причину выделения газов в течение длительного времени после отключения электролизёра от сети. На рис. 219 показана осциллограмма напряжения на входе в элек-тролизёр через 3 секунды после отключения его от сети. Осциллограммы на рис. 218 и 219 показывают, что после отключения электролизёра от сети идет процесс его разрядки. Отметим особо, что напряжение, постепенно уменьшаясь, не становится равным нулю. Это указывает на то, что электролизёр является не только конденсатором, но и источни-ком электрической энергии.
Как видно, в начальный момент после отключения электролизёра от сети (рис. 217) у него остаётся потенциал, близкий к потенциалу сети, который образовался при зарядке электролизёра в процессе включения его в сеть и настройки на заданный режим работы. Особо подчеркнём, что ток в процессе зарядки был в несколько раз больше его рабочей величины 0,02А.
Через 3 секунды после отключения сети (рис. 219) потенциал на входе в электро-лизёр уменьшается с 11,4 В до 8 В, примерно. На осциллограмме (рис. 217) не видны импульсы напряжения потому, что их амплитуда ничтожно мала. Если увеличить масштаб (записать с открытым входом), то импульсы выглядят так (рис. 220 и 221).
Результаты обработки осциллограмм напряжения (рис. 220 и 221). Учитывая масштаб-ный коэффициент, равный 10, найдём среднее значение амплитуды импульсов напряже-ния =[(0,20+0,24+0,12+0,10+0,30+0,18+0,16+0,12+0,30+
+ 0,24+0,30)/11] x10=2,05 В.
Период импульсов Т=(24х2)/10=4,8 мс.
Длительность импульсов =(2х1,45)/10=0,29мс.
Частота импульсов =(1/0,001x4,=208,3 Гц.
Скважность импульсов =4,8/0,29=16,55.
Коэффициент заполнения =0,5/16,55=0,0302



Рис. 220. Напряжение [url=https://servimg.com/view/14768808/825][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]
Рис. 221. Напряжение [url=https://servimg.com/view/14768808/826][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Эквивалентная средняя составляющая импульсов напряжения, рассчитанная по по-казаниям осциллографа =2,05х0,0302=0,062 В. Вольтметр в это время показывал 11,4 В.
Таким образом, есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр обладает свойствами конденсатора и источника электричества одновременно. Зарядившись в нача-ле, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекаю-щих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточ-ным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд элек-тролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза - ста-бильным.
Величина потенциала, необходимого для компенсации разрядки электролизёра, зафиксирована на осциллограммах рис. 220 и 221. Казалось бы, что эту величину и надо использовать при расчете затрат энергии на получение водорода из воды при её низкоам-перном электролизе.
Однако, дальнейшие исследования показали, что описанная процедура подзарядки ячейки не реализуема, так как даже независимый источник питания, каковым является магнето, генерирует импульсы с полной амплитудой 11,40+2,05=13,45 В. Средняя вели-чина напряжения, которое подзаряжает ячейку, оказывается равной 13,45х0,03=0,40 В. Средняя мощность при этом оказывается равной 0,40х0,02=0,008 Вт. Однако, это не пре-дельная величина, так как процесс электролиза может идти и без источника питания.
Итак, по показаниям вольтметра и амперметра мощность источника питания лабо-раторной модели низкоамперного электролизёра составляет Однако, анализ осциллограмм показывает, что эта мощность необходима только для за-пуска электролизера в работу. После запуска, когда он зарядится, мощность для его под-зарядки составляет , то есть в 28 раз меньше (табл. 63).
Наличие постоянной составляющей электрического потенциала на входе в элек-тролизёр показывает, что для расчета затрат энергии на процесс электролиза надо исполь-зовать не показания вольтметра, а показания осциллографа, регистрирующие полный по-тенциал подзарядки электролизёра, следующий из осциллограмм, представленных на рис. 220 и 221. Вполне естественно, что указанный эффект реализуется лишь при использова-нии магнето в качестве источника питания такого электролизёра.
На рис. 222 и 223 показаны осциллограммы тока, когда источник питания электро-лизёра генерировал импульсы с частотой около 200Гц. Результаты обработки осцилло-грамм тока (рис. 222 и 223).
Учитывая масштабный коэффициент, равный 10, и сопротивление резистора 0,1 Ом, найдём среднее значение амплитуды импульсов тока.
={[(9,0+7,0+2,0+11,5+6,0+8,5+3,5+9,0+2,5+6,5)/10]x10}/0,1=0,66 А. Средний ток в цепи питания электролизёра =0,655х0,0302=0,01978А=0,02А. Показания амперметра – 0,02А.


Рис. 222. Ток [url=https://servimg.com/view/14768808/827][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]
Рис. 223. Ток [url=https://servimg.com/view/14768808/828][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Таким образом, вольтметр показывает величину напряжения заряженного электро-лизёра, как конденсатора, который постепенно разряжается, а полные импульсы напряже-ния, фиксируемые осциллографом – величину его подзарядки, которая и характеризует энергию, необходимую для подзарядки электролизёра. В результате затраты энергии на получение водорода из воды при низкоамперном электролизе значительно уменьшаются, если в качестве источника энергии использовать электромеханический генератор импуль-сов. Обоснование параметров такого генератора – непростая задача.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены теоретические и экспериментальные доказательства существования технологии значительно уменьшающей затраты энергии на получение водорода из воды. Это даёт веские основания полагать, что низкоамперный электролиз воды близок её электролизу, протекающему при фотосинтезе.

18.6. Вода, как источник электрической энергии

Начальные сведения

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что вода является источником не только тепловой энергии и энергии, заключенной в водороде и кислороде, но и источником электрической энергии. Вспомним мощь грозовых разрядов. Они яв-ляются источником электрической энергии, генерируемой из воды в облаках. Теперь можно сказать, что мы вплотную приблизились к моделированию и управлению этими разрядами в лабораторных условиях.
На рис. 97 показана схема молекулы воды с десятью электронами. Мы назвали эту структуру заряженной молекулой воды [75], [99], [109]. Оказывается, что существует воз-можность отделить от молекулы воды электрон, принадлежащий одному из атомов водо-рода, соединенных с электроном атома кислорода. Протон атома водорода в этом случае соединится с электроном атома кислорода и молекула воды, потеряв один электрон, ста-нет полузаряженной (рис. 99).
Количество кулонов электричества, которое генерируется в одном литре воды при потере каждой молекулой воды лишь одного электрона, будет равно произведению числа Авагадро на количество молей молекул воды в одном литре [109]

[url=https://servimg.com/view/14768808/829][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] Кулонов. (451)

Учитывая, что один ампер-час составляет 3600 кулонов электричества, находим минимальную электрическую ёмкость одного литра воды

[url=https://servimg.com/view/14768808/830][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] Ач. (452)

Экспериментальные исследования также показывают, что при определенных ре-жимах плазменного электролиза воды в электролитическом растворе формируется элек-трический потенциал, значительно превышающий потенциал, подводимый к раствору. В результате этого в электролитическом растворе генерируется электрическая энергия, превышающая электрическую энергию, вводимую в раствор [103].

[url=https://servimg.com/view/14768808/831][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 224. Схема кластера из двух молекул воды

Анализ энергий связи между электронами и протонами атомов водорода в кластере из двух молекул воды (рис. 224) показывает возможность реализации различных вариан-тов разрыва этих связей. В обычных условиях рвется связь между двумя протонами и , принадлежащих атомам водорода в молекуле воды. Возможен одновременный раз-рыв связей и . В последнем случае выделяется молекула водорода. Реализация того или иного вариантов разрыва связей зависит от температуры среды, в которой находятся молекулы воды.
Если, например, молекулы воды находятся в парообразном состоянии в облаке, то реализация разрыва приведет к формированию в облике положительно заряженных молекул воды. В другом облаке, с другой температурой, возможен разрыв связей или и формирование в облаке отрицательно заряженных и ионов , из которых фор-мируется водород, кислород и озон в процессе грозового разряда.
Поскольку реализация того или иного варианта разрыва связей зависит от темпера-туры, то, зная энергии связей, мы сможем моделировать этот процесс и использовать его для получения электрической энергии из воды.

18.7. Эффективность топливных элементов

Наши исследования показывают, возможность значительного уменьшения затрат энергии на получение водорода из воды. Это позволит использовать водород и кислород, получаемый из воды для получения электрической энергии.
Сейчас считается, что основным потребителем водорода будут топливные элемен-ты. Обусловлено это тем, что в результате экологически чистого процесса соединения водорода с кислородом в топливном элементе получается самая распространенная эколо-гически чистая электрическая энергия. Главная проблема в этом деле – высокая стои-мость топливных элементов.
Стоимость 1 кВт мощности, производимой топливным элементом около 10 тыс. долл. Стоимость же 1 кВт мощности, производимой бензиновым эквивалентом, – 3-5 дол-ларов. Это – главная причина, сдерживающая переход на водородную энергетику на дан-ном этапе её освоения. В целом, достижения в области разработки топливных элементов значительны.
Ячейка топливного элемента представляет собой (рис. 225) ёмкость с двумя элек-тродами и разделительной мембраной, на которую нанесён катализатор (платина). К од-ному электроду подаётся водород, а к другому – кислород. Катализатор разделяет молеку-лы водорода на электроны и протоны. Протоны проникают через мембрану в ту половину ёмкости, где находится кислород, а электроны идут в электрическую сеть, соединенную с кислородным электродом. Здесь электроны и протоны вновь соединяются и образуют атомы водорода, которые соединяются с кислородом и образуют воду.

[url=https://servimg.com/view/14768808/832][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 225. Схема работы твёрдотопливного элемента

Чем больше катализатор разделит атомов водорода на протоны и электроны, тем эффективнее идет процесс синтеза электрической энергии. Однако, расчеты показывают (мы уже привели их), что современные катализаторы разделяют на электроны и протоны лишь около 0,6 % атомов водорода. Фактически это и есть прямой коэффициент полез-ного действия топливного элемента.
Однако, разработчики топливных элементов определяют коэффициент полезного действия топливного элемента по другому. Они делят энергию, получаемую с помощью водорода на энергию, затрачиваемую при получении водорода из воды. В этом случае по-лучается косвенный коэффициент полезного действия топливного элемента; он достигает 70% и более. Конечно, это неплохой показатель, но надо иметь в виду, что 99,4% атомов водорода в этом случае не участвуют в формировании электрического тока. Из этого сле-дует важная задача разработчиков топливных элементов – увеличение их прямого коэф-фициента полезного действия
Эффективность процесса соединения водорода с кислородом в топливном элементе и - формирования электрической энергии изучены слабо. В докладе [78] приводятся ха-рактеристики одного из топливных элементов. При расходе водорода 2кг/час он генери-рует 30 кВтч электрической энергии. Поскольку один кубический метр газообразного водорода весит 90 г., то в 2 кг жидкого водорода содержится 2/0,09=22,2 газообразно-го водорода. Учитывая, что для получения 1 водорода лучшие промышленные элек-тролизёры расходуют 4 кВтч и принимая эту величину энергии за 100%, получаем энерге-тический коэффициент полезного действия (КПД) топливного элемента

[url=https://servimg.com/view/14768808/833][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (453)

В источнике информации [79] сообщается, что КПД топливных элементов третьего поколения с твердым электролитом близок к 50% и что использование технологии топ-ливных элементов позволяет повысить КПД по электроэнергии до 75%, а с учетом выра-батываемого ими тепла - до 90-95% [109].
Обратим внимание на факт, который остаётся незамеченным специалистами по то-пливным элементам. Эффективность топливных элементов зависит, прежде всего, от эф-фективности использования электрических возможностей самого водорода. Если учесть количество электронов, принадлежащих атомам водорода и участвующих в формирова-нии электрической энергии топливного элемента, то эффективность физико-химического процесса этого элемента оказывается менее 1%. Проведем этот расчет для топливного элемента, описанного в докладе [78]. Он генерирует 30кВтч электроэнергии при расходе 2 кг (2/0,09=22,2 ) жидкого водорода в час. Поскольку моль газообразного водорода ра-вен 22,4 литрам, то для выработки 30 кВтч электрической энергии надо израсходовать 22222,22/22,4=992,06 молей молекулярного водорода [109].
Напомним, что числом Фарадея называется величина, равная произведению числа Авагадро на заряд электрона . Измеряется эта величина в Кулонах (Кл) на один моль вещества

[url=https://servimg.com/view/14768808/834][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] Кл/моль.

Если все протоны 992,06 молей молекулярного водорода передадут свои электро-ны в электрическую сеть топливного элемента, то в результате сформируется Кулонов электричества. Это потенциальные возможности 22,2 молекулярного водорода. Как же используются эти возможности современными топ-ливными элементами?
Рассматриваемый топливный элемент работает при напряжении 100 Вольт, поэто-му при выработке 30кВтч в его электрической цепи циркулирует ток 30000/100=300 Ач. При 1 Ампер-часе расходуются 3600 Кулонов электричества, а при 300Ач - 1080000,0 Ку-лонов. Если потенциальное количество Кулонов электричества, содержащихся в 22,2 водорода (191437818,2 Кулонов), взять за 100%, то реальное количество Кулонов элек-тричества, генерируемое топливным элементом, составит [109]

[url=https://servimg.com/view/14768808/835][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] (454)

Вот где главные резервы повышения эффективности топливных элементов!
Главная причина очень низкой (0,57%) электрической эффективности топливного элемента - подача в него молекулярного водорода. Есть все основания надеяться, что ми-нимум десятикратное увеличение этой эффективности - дело ближайшего будущего.
Специалистам, занимающимся исследованиями топливных элементов, следует об-ратить внимание на важность анализа воды, получаемой в результате их работы. Мы уже показали, что молекулы воды могут содержать как все 10 электронов (заряженная вода, рис. 97), так и 8 электронов (разряженная вода, рис. 98). Если вода чистая (без примесей), то должна существовать разница в весе одного литра заряженной и разряженной воды, которую можно легко обнаружить. Чем больше в воде, образовавшейся после работы то-пливного элемента, разряженных молекул, тем эффективнее используются в нем энерге-тические возможности водорода.
Приведенные расчеты показывают, что энергетические возможности водорода в топливных элементах используются пока лишь примерно на 0,6%. Увеличение этого по-казателя в 10 раз будет эквивалентно переходу на водородную энергетику во всех сферах человеческой деятельности [41].
Вот где главные резервы повышения эффективности топливных элементов!
Японские исследователи, зная результаты наших теоретических и эксперименталь-ных исследований и имея неограниченное финансирование, уже реализовали процесс по-лучения электричества из воды. Владея нашей информацией, они смогли подобрать мате-риалы электродов, которые реализуют описанный процесс не в топливном элементе, а в электролизёре (рис. 226).

[url=https://servimg.com/view/14768808/836][img][Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

Рис. 226. Фото японского электролизёра получающего электричество из воды

Таинственную связь с японцами, мы подробно описали в своей книге «История на-учного поиска и её результаты». 2-е издание. Краснодар 2007. 418 с.
Конечно, если бы мы имели регулярное и достаточное финансирование, то смогли бы достичь результатов, полученных японцами, этого не произошло, поэтому мы выра-жаем благодарность таинственному японцу, который основательно поддержал нас мате-риально в лихую годину перестроечных неурядиц.
Эту технологию реализовала японская компания Genepax Co Ltd. Новые топливные элементы, разработанные компанией, названы "Water Energy System (WES).
На конференции Genepax демонстрировало топливную батарею с выходной мощно-стью 120 Ватт и топливную систему с выходом в 300 Ватт. Во время демонстрации 120 Ваттный топливный элемент был запущен в работу водяным насосом от сухой батареи. После того, как энергия начинает производиться топливным элементом, система перехо-дит в пассивный режим с выключенным водяным насосом.
В настоящий момент топливная батарея выдает на выходе напряжение в 25-30 В. Всего в батарее около 40 топливных элементов по 0.5-0.7 В в каждом. Энергетическая плотность не менее чем 30мВт/см2. Площадка, на которой в каждом элементе происходит реакция составляет 10X10 см.
Genepax изначально планировало развивать 500 ваттные системы, но испытало трудности в обеспечении материалами для МЕА, что привело к фокусированию на произ-водстве, прежде всего 300 ваттных систем.
В будущем, компания планирует производить одно киловатные системы для ис-пользования в домах и электрокарах. Вместо того, чтобы использовать чисто электриче-ские машины, компания предлагает использовать МЕА, как генераторы для зарядки вто-рой батареи во время езды.
Конечно, начальные достижения японцев выглядят пока скромно, если учесть, что отделение от каждой молекулы воды одного электрона позволяет получить из каждого литра воды 1489,1 Ач. У обычных автомобильных аккумуляторов средняя величина это-го показателя равна 60 Ач.