Wodór to najlżejszy pierwiastek
świata, składa się on tylko z 1 protonu i krążącego wokół niego elektronu. W
stanie wolnym występuje jako cząsteczka dwuatomowa H2. Należy też pamiętać, że
wodór to nośnik energii a nie źródło energii. Nie jest źródłem, ponieważ na
ziemi nie ma jego pokładów stanie wolnym, tak jak metan albo węgiel, aby mieć
wodór trzeba go otrzymać z np wody lub jako produkt uboczny procesów
technologicznych w różnych fabrykach. Ja się tu skupię na jego otrzymywaniu w
warunkach domowych, oraz jego przechowywaniu. Po szczegółowe dane na temat
wodoru zapraszam

tutaj

!!! UWAGA !!!

Wodór to bardzo
niebezpieczny gaz, więc jeżeli nie posiadasz żadnej wiedzy na temat gazów
palnych to lepiej nie zajmuj się tym tematem bo tylko narazisz siebie i
okolicznych mieszkańców. Za szkody wywołane nieumiejętnym obchodzeniem się z
wodorem nie odpowiadam.

Podstawowe dane o wodorze na
początek plus porównanie w warunkach normalnych.

Typ paliwa>>	Wodór	Benzyna	Propan-Butan	Metan
Gęstość energii (MJ/kg)	120	47	45	50
Waga 1 dm3 cieczy (g)	70	740
Waga 1 m3 gazu (g)	90	-		720
Temp. krytyczna (*C)	- 240			- 82,5
Ciśnienie krytyczne (bar)	13			46,3
Temp. samozapłonu (*C)	450		450	580
Ilość energii w 1 dm3 cieczy (MJ)	8,4

Objaśnienia:

- dla porównania akumulator samochodowy 12 V 50 Ah posiada ok 2 MJ energii,

- temp krytyczna, jest to temp powyżej, której gazu nie da się już skroplić
żadnym ciśnieniem,

- ciśnienie krytyczne, jest to ciśnienie gazu w temp krytycznej, wymagane do
skroplenia gazu w temp krytycznej,

- 1J = 1W*s tutaj rozpatrujemy dżula jako jednostkę energii, czyli jak coś
pobrało 1J energii w ciągu sekundy to miało moc 1W.

Są 3 podstawowe
sposoby:

a) Elektroliza wody – tym się zajmę

b) Samoczynna reakcja chemiczna kwasów – w warunkach domowych nie
opłacalne więc nie będę o tym pisać

c) Kataliza z węglowodorów – j.w.
Punkt (a):
Elektroliza wody to inaczej rozbicie cząsteczki wody za pomocą prądu
elektrycznego. Do najprostszej elektrolizy trzeba najpierw zrobić odpowiednia
maszynę. Jak ktoś chciałby zacząć swoją przygodę z wodorem to polecam na
początek wykonanie prostego elektrolizera i sprawdzenie jak działa. Wystarczy
wziąć 2 płytki (po 1 dm2) z blachy nierdzewnej, zbliżyć je do siebie tak, aby
się nie dotykały na jakieś 1 mm, wsadzić do plastikowego naczynia napełnionego
przygotowaną letnią wodą do której wyciskamy kilka kropel cytryny. Następnie
wsiąść akumulator samochodowy i jedną blaszkę podłączyć do plusa, a drugą do
minusa, ujrzymy wtedy bąbelki wydobywające się z okolicy blaszek, będzie to
rozbita woda czyli wodór i tlen. Na plusie tlen na minusie wodór. Reakcja będzie
przypominać gotowanie się wody. Taka elektroliza ma tylko charakter pokazowy
ponieważ ma niską sprawność i szybko na elektrodach odłożą się nieczystości z
wody.

Profesjonalna elektroliza: Najlepiej zastosować elektrody
miedziane lub z innego dobrze przewodzącego metalu, pokryte galwanicznie
cieniutką warstwą złota, tak jak grzałka w czajniku na prąd. Złoto zapobiega
osadzaniu się nieczystości na elektrodach. Kamień zwykle się odkłada na ujemnej
jeżeli naleje ktoś kranówy do elektrolizera. Ilość złota jaka będzie potrzebna
na 1 m2 elektrod to kilka gramów. Zapewni on odpowiednią ilość wodoru do butli z
której np będziemy palić w piecu gazowym, napędzać samochód czy też w używać
wodoru do ogniw paliwowych (patrz
tutaj
ogniwa paliwowe). Lepiej mieć większy elektrolizer niż mniejszy, bo w razie
czego można regulować sobie ilość wytwarzanego gazu za pomocą regulacji prądu
zasilającego.

Woda używana do elektrolizy powinna być maksymalnie czysta wydestylowana
najlepiej, ponieważ woda kranowa po elektrolizie zostawia na elektrodach i w
elektrolicie różne osady, jeżeli mamy elektrody powleczone złotem to sprawa jest
prostsza bo osad zostaje tylko w elektrolicie. Do wody dodajemy wodorotlenek
potasu, KOH w stężeniu ok 30 %, czyli na 10 litrów wody potrzeba wrzucić jakieś
3 litry granulek KOH. Dodanie tej substancji powoduje wzrost sprawności procesu
elektrolizy do ok 75 % max. KOH dodaje się raz na długi czas, ponieważ on się
rozkłada podczas elektrolizy i następnie jak się oddali od elektrody to znowu
szybko łączy się z grupami OH i znowu mamy KOH i tak w kolko dolewamy tylko wody
co jakiś czas, a najlepiej zrobić zbiornik wyrównawczy do którego będziemy
dolewać wodę destylowaną, elektrolizera nie powinno się otwierać, ponieważ
elektrolit w zetknięciu z CO2 z powietrza ulega degradacji, dla tego lepszy
byłby zbiornik wyrównawczy z rurką poprowadzona do elektrolizera. Cały
elektrolit musi być w lekkim ruchu, który zapewniają bąbelki. Ruch elektrolitu
sprawia ze potas się nie osadza na elektrodach i jest stale wymieszany z woda i
jonami OH. Elektrolizer musi być szczelnie zamknięty i przygotowany do pracy
przy ciśnieniach nawet po 100 barów (niżej wytłumaczę dla czego 100 barów).
Elektroda dodatnia emituje tlen zaś ujemna wodór, przy rozmieszczeniu elektrod 2
mm od siebie gazy te będą się mieszać więc trzeba je oddzielić od siebie. Robi
się to bardzo prosto za pomocą przepony jonowymiennej miedzy elektrodami.
Przepona ta to po prostu ceramiczna płyta o grubości ok 2 – 5 mm, najprościej ja
wykonać tak jak się wykonuje cegły lub garnki czyli z gliny, np bierzemy siatkę
z aluminium lub brązu czy też mosiądzu o oczkach do 1 cm max i na tej siarce
usztywnionej jakimś stelażem lepimy glinę. Powinna być to glina jak do lepienia
garnków najlepiej lub cegieł wyższe klasy, podstawa o to aby ta glina po
wypaleniu w piecu nasiąkała wodą tak jak nasiąka cegła wodą. Następnie taka
ścianę umieszczamy miedzy elektrodami i powstają 2 komory, tlenowa i wodorowa. W
związku z tym, że najlepsze napięcie dla takiego elektrolizera to ok 2 VDC to
potrzeba budować kilka cel łączonych szeregowo. Jedna cela powiedzmy o wymiarach
ściany bocznej 30×30 cm powinna pobierać ok 50 – 80 W mocy, czyli zgodnie ze
wzorem P=I*U przy 2 V będziemy mieli prąd równy 30 – 40 A. Rysunek niżej
pokazuje trzycelowy elektrolizer na 6V, elektrolizer wytwarzający wodór
zasilający elektrycznie dom powinien mieć ok 3 kW, wytwarzający wodór na cele
grzewcze dla domu ok 15 kW. Obrazek pokazuje elektrolizer wykonany w technologii
ciśnieniowej, gotowy do pracy w ciśnieniu do 100 i więcej nawet barów.
Jasnoszarym kolorem zaznaczone są stalowe płyty i elementy budujące elektrolizer
wewnątrz. Najlepiej zbudować to w

kształcie walca, wtedy konstrukcja będzie odporniejsza na wysokie ciśnienie.
Fioletowe pionowe fajki to czujniki poziomu elektrolitu i ciśnienia podłączone
do komputera, komputer na ich bazie steruję zaworami H2 i O2 w celu wyrównania
ciśnienia w komorze wodoru i tlenu oraz szybkością reakcji zmieniając natężenie
prądu zasilającego. Kolorem żółtym są narysowane elektrody złocone i przewody
zasilające elektrody. Kolor brązowy to przepona ceramiczna, poziom elektrolitu
nie może się zbliżyć do górnej krawędzi przepony bo gazy mogą przez nią
przelecieć i się wymieszać. Aby tak nie było dba o to komputer bazując na
czujnikach poziomu cieczy. Na niebiesko mamy zaznaczony zbiornik z woda
destylowaną oraz pompy z zaworami Z1 i Z2, komputer na podstawie poziomu
elektrolitu dopompowuje do komory tlenu lub wodoru odpowiednia ilość wody
destylowanej. Odległość miedzy elektrodami miedzy, którymi jest przepona powinna
być możliwie najmniejsza, za to ilość elektrolitu na około może być dowolna,
nawet lepiej byłoby dać go trochę więcej, aby bezwładność układu była lepsza
czyli np aby szybko nie ubywało wody. Wszystko jest zasilane z niedużego
akumulatora, pełniącego rolę bufora energii z wiatraka lub baterii słonecznych.
Instalacja ta ma raczej średnią sprawność ogólną uzależnioną mocno od metody
wykorzystania wodoru. Jeżeli użyjemy ogniw paliwowych do zasilania domu w prąd i
ciepła wodę użytkową to sprawność całkowita powinna wynieść ok 50 %. Czyli 50%
energii jaka da nam nasza przydomowa elektrownia przepadnie, a drugie 50% będzie
nasze, dla bezpośredniego spalania wodoru w piecu gazowym sprawność osiągnie
ponad 60% dla tego taka instalacja jest dobra do dużych systemów, np zasilanie
domu 1 czy wielo rodzinnego o dużym zużyciu energii, wytwarzanie wodoru do
silnika spalinowego samochodu albo ogrzewania i zasilania domu jedno lub wielo
rodzinnego.
Magazynowanie
wytworzonego wodoru.

1.
Wodór z elektrolizera musi być jakoś przechowany i jest kilka potencjalnych
metod, np można go sprężyc w butlach 40 kilogramowych za pomocą sprężarki do
wodoru, niestety taka sprężarka kosztuje sporo wiec ten pomysł odpada, jak by
tego było mało to prosta sprężarka na nasze potrzeby pobierałabyby ok 1 – 1,5 kW
energii elektrycznej. Foto obok pokazuje przykładową sprężarkę wodoru.
Dokładniejsze opisy na

http://www.suction.co.jp/comp/otherComp.html

2. Gaz może też być uwieziony w proszku, którym jest stop
lantanu z kobaltem i samaru z niklem (niestety w tej grupie tylko nikiel jest
tani), jest to bardzo wydajna metoda ponieważ proszek się znajduje w pojemniku,
w którym ciśnienie wynosi 4 atmosfery. Uwalnia się go bardzo łatwo – wystarczy
tylko odkręcić zawór i trochę podgrzać butle. Podobna technologia jest
wykorzystana w akumulatorkach Ni-MH. Szerokie opisy tych metod można znaleźć na
Google.pl, niestety nie udało mi się namierzyć związku który byłby Tani i dość
dobrze przechowywał wodór. Ponadto możliwe jest przechowywanie za pomocą
uwiezienia jako wodorki metali i stopów takich jak:

- lit, pochłania on ogromne ilości wodoru, uwalnia się je za pomocą zalania
wodorku woda (metoda LH),

- stop tytanu z żelazem TiFe, łapie wodór po ochłodzeniu, a po ogrzaniu go
oddaje,

- stop magnezu z niklem Mg2Ni, jw. – ten byłby w miarę ok, magnez nie jest
drogi.

- bromowodorki i glinowodorki no sodu, to jedne z bardziej pojemnych
magazynów proszkowych

Wydajność ok 3300 Wh/dm3. Metoda ta pozwala na zmagazynowanie wodoru w danej
objętości w porównaniu do butli 1000 ATM, czyli dość wydajnie. Ciekawy dokument
PDF na ten temat dostępny

tutaj.

3. Nowatorska i prototypowa metoda wiezienia wodoru w nanowłuknach grafitowych -
to chyba najwydajniejsza metoda ponieważ 1 dm3 (2 kg) nanowlokien magazynuje
32000 Wh/dm3 energii, dla porównania powiem ze akumulator ołowiowo kwasowy
magazynuje najwyżej 50 Wh/dm3, dla nas raczej nie osiągalne. Należy też dodać ze
dość nie drogim a dobrym związkiem magazynującym wodór jest CaNi5, proszę się
zapoznać z ciekawym PDFem

tutaj.

4. Uwiezienie w postaci metanolu, albo “synteza” wodoru z metanolu w specjalnym
katalizatorze (reformerze). Metanol przechowuje się po prostu w zbiornikach w
ciśnieniu atmosferycznym. Wydajność 4900 Wh/dm3 – wytwarzanie metanolu z wodoru
jako paliwa a nie przechowalnika wodoru omówione będzie w 3 punkcie działu o
magazynowaniu energii.

5. Przechowywanie wodoru w postaci płynnej, bardzo skomplikowana metoda ale i
bardzo wydajna, w cienko
ściennej
butli podobnej do butli turystycznej na gaz LPG, otulonej styropianem i pianką
wodór się przechowuje w temp przynajmniej – 240 st i max 13 ATM, auto mające
taką butle musi szybko (2 – 3 tygodnie) spożytkować ten wodór, ponieważ po woli
się nagrzewa i rośnie ciśnienie w butli. Rozwiązaniem jest tu specjalna butla
posiadająca chłodziarkę helową. Jak się urzec to można i taką butle zrobić w
domu. Foto obok pokazuje butle na wodór płynny. Butla ma cienką ściankę jak
widać i ocieplenie z pianki. Taka butla może przechowywać wodór nawet do 3
tygodni, czas ten to termin w jakim się wodór sam ogrzewa od ciepła atmosfery, a
gdy się nagrzewa to zaczyna parować, a jak paruje to wzrasta ciśnienie w butli i
wylatuje przez zawór bezpieczeństwa. W butli może być ciśnienie do ok 30 ATM.
Wodór się nie skropli po wyżej -240 st, proszę zobaczyć tabelkę na początku
strony.

6. Metoda sprężania wodoru za pomocą elektrolizera, jest to metoda której
najlepiej będzie użyć do naszych celów, elektrolizer podłączony do butli
generuje wodór, coraz więcej i więcej w efekcie rośnie w nim ciśnienie i w butli
też, takim sposobem praktycznie za darmo sprężamy wodór do bardzo dużych
ciśnień, dla tego władnie potrzebna jest taka kontrola poziomu cieczy i
ciśnienia w celach elektrolizera i dla tego on musi być wytrzymały na ciśnienia
nawet 100 barów (ok 100 atm). Prosto jest użyć butli tradycyjnych 40 kg od
argonu albo helu z reduktorami ogrzewanymi, przy ciśnieniu 100 barów taka butla
zgromadzi nam ok 50 MJ energii, jest to w przeliczeniu tyle samo co 25
akumulatorów samochodowych z samochodu osobowego. Kilka takich butli połączonych
1 rurą stworzyło by dość pokaźny magazyn energii. Ciśnienie można zwiększyć do
ok 150 barów, oczywiście zmieni się wtedy trochę konstrukcja elektrolizera, musi
być mocniejszy po prostu, tak samo pompy i zawory. Ujście wodoru przez ścianę
takiej butli wynosi ok 5% na miesiąc, niestety przy takich tanich butlach nie są
się tego uniknąć ponieważ ze względu na średnice atomu wodoru która jest dość
małą jest to gaz bardzo przenikliwy. Pomieszczenie mieszczące taka instalacje
musi być dobrze izolowane i pozbawione urządzeń elektrycznych i przedmiotów
które wywołać mogą iskry. Taka metoda ma też bardzo ciekawy plus, rozprężający
się ultrazimny wodór posłużyć może do odzysku CO2 z atmosfery. Dwutlenek węgla
będzie potrzebny to syntezy metanu i metanolu omówionej w dalszych punktach
działu o energii. Metodę taka zastosował juz pewien człowiek, tylko że
on użył wielkiej cysterny ciśnieniowej od gazu LPG do magazynowania wodoru. Plik
z opisem

tutaj. Jeżeli zamierzamy używać ogniwa
paliwowego AFC do użytku ciepła i prądu elektrycznego z tego naszego wodoru
to powinniśmy jeszcze zarezerwować kilka butli na tlen z elektrolizera. Jest to
ważne ponieważ ogniwo AFC nie może zawierać CO2 w gazach zasilających, tlen z
naszego elektrolizera będzie bardzo czysty. Na koniec jeszcze parę słów na temat
zasilania samochodu wodorem, sprawa jest prosta ale nie aż tak prosta jak w
przypadku gazu LPG. Najprościej użyć instalacji na metan, w Polsce jest kilka
firm które je montują do samochodów, cena takiej instalacji to ok 3000 zł,
zamiast metanu używałoby się wodoru po prostu, instalacja metanowa powinna
akceptować wodór. Jak ktoś zamierza eksperymentować to
należałoby
to zrobić tak: cienka rurkę
doprowadzającą wodór trzeba doprowadzić aż pod sam zawór gdzie miesza się z
tlenem z powietrza i zasysa w cylinder, lepszym, rozwiązaniem jest zrobienie
wtrysku sprężynowego, takiego jak na rysunku obok. Mosiężna rurka gazowy wodór
leci do tłoczka z wyżłobionym rowkiem, gdy zawór się otwiera sprężynka (to
zielone) wypycha zaworek w dół i przez rowek w tłoczku wodór wylatuje do
cylindra, wymieszany z powietrzem – takie rozwiązanie zmniejsza ryzyko
samozapłonu wodoru w rurze doprowadzającej mieszankę do silnika. Temperatura
samozapłonu wodoru wynosi 450 stopni C, przy mieszance z tlenem wynoszącej 5%
tlenu i 95 % wodoru. To zadanie dla fachowców raczej. Eksperymentalny model
wykonano na jednej z wyższych uczelni w kraju, instalacje taka jak wyżej na
rysunku zastosowano w silniku z fiata 126p, instalacja zawierała układ odcięcia
butli z wodorem w razie samozapłonu mieszanki przed wlotem do cylindra – podobno
działało dobrze. Nie mniej zalecam
przetworzenie tego wodoru na metan i założenie sobie fachowej instalacji
metanowej (gaz ziemny) za ok 3000 zł. Należy pamiętać, aby nigdy nie pompować
tlenu i wodoru do 1 butli bo to = śmierć przez wysadzenie w powietrze.
Przerobienie wodoru na metan daje
ogromne możliwości, zastosowanie praktycznie wszędzie, kompresory metanu są
tanie, kuchenki gazowe domowe na gaz ziemny to właśnie kuchenki na metan który
jest głównym składnikiem gazu ziemnego, piece centralnego ogrzewania junkers na
gaz ziemny. Zapraszam do punktu 2.