Waterstofgenerator en -brander

Over de instrumenten en chemicaliën in het chemisch laboratorium.
User avatar
Reap
Argon
Posts: 681
Joined: 15 Sep 2011, 16:03
Chemistry interests: Inorganic
Location: Regio Eindhoven

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by Reap » 29 Dec 2011, 15:55

Ja dat is bij mij een groot knelpunt in het ontwerpen, de elektrode afstand.

Heb jij al een cel ontwerp?

spidey
Kobalt
Posts: 1367
Joined: 16 Jan 2009, 23:58
Chemistry interests: Inorganic
Location: Amsterdam

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by spidey » 29 Dec 2011, 16:56

Ja, idee is dat de electrodes uit concentrische cilindrische platen bestaan, mogelijk twee paar. Door die membraan uit de accu worden ze gescheiden. Gas wordt bovenin opgevangen en stroomt uit via een kraan. Verder komt er een "water"toevoer, die ook afsluitbaar is. Zodoende kan er druk worden opgebouwd, waarbij de vloeistof in de ruimte voor de watertoevoer wordt geperst, die tegendruk biedt vanwege samenpersing van de lucht erboven. Op die manier wil ik de maximale druk op 1.2atm hebben, waarbij dan de electrodes droog komen te staan, als electrolyse wordt gestart met alle kranen dicht.

Een mooi voordeel van dit ontwerp is dat door het wegdrukken van de vloeistof naar de bijvulruimte, de electrodes (afhankelijk van de druk) meer of minder in de vloeistof staan. Daarmee is ook de gasproductiesnelheid te regelen, namelijk met de uitstroomkranen (aparte kranen voor O2 en H2). Dat maakt de electronica weer simpel: constante spanning, terwijl de stroom geregeld wordt door de uitstroomsnelheid.

Verder is een druk van 1.2atm zat om een flinke vlam op te laten branden. Het kan zijn dat ik de max. druk nog wat terugbreng. De dimensionering volgt na een meting van de hoeveelheid geproduceerd gas. Dat ga ik vanavond doen. het RVS voor de elctrodes heb ik inmiddels.

Mocht het allemaal lukken, dan komt er tzt wel een writeup met alle details. Ik weet bijv. nog niet of ik de ruimte van acrylaat maak of van glas.

User avatar
Reap
Argon
Posts: 681
Joined: 15 Sep 2011, 16:03
Chemistry interests: Inorganic
Location: Regio Eindhoven

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by Reap » 29 Dec 2011, 23:56

Ik wacht af in spanning!

lapidee
Helium
Posts: 47
Joined: 02 Apr 2011, 12:57
Chemistry interests: Inorganic
Location: Den Haag
Contact:

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by lapidee » 30 Dec 2011, 01:25

Voor het doel lijkt het me dat je moet kiezen voor niet oplossende electroden.
RVS of wat duurder platina coated titanium electroden.

Separaat scheiden zuurstof / waterstofgas is voor mijn doel niet nodig en ook niet handig want dat betekend dubbele units voor droging en mec toevoeging. en druk regelaars natuurlijk.
Daarbij vraag ik me af hoe zuiver je de verschillende gassen kunt scheiden.
Maar wellicht zie ik dat verkeerd.
Alhoewel ik al 25 jaar werk met deze apparaten heb ik dat doel nooit gezien. Maar met fabrieksgereedschappen werken is natuurlijk wat anders dan onderzoeken hoe het werkt.

Op galvanisch gebied ben ik wat beter onderlegd en vliegen alle gassen vrolijk de afzuiger in, maar dat is een heel ander gebied natuurlijk.
Groet Ruud

User avatar
Reap
Argon
Posts: 681
Joined: 15 Sep 2011, 16:03
Chemistry interests: Inorganic
Location: Regio Eindhoven

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by Reap » 30 Dec 2011, 01:57

Spidey wil een H2 atmosfeer hebben om hydriden te maken. Dus waarschijnlijk zorgt zuurstof ervoor dat het niet kan of is een hogere waterstofconcentratie gewoon bevordelijk voor de reactiesnelheid en of yield.

Mijn doel is dat de gassen afzonderlijk niet branden. Dus de kans op een flashback is veel kleiner als je O2 op het laatste moment bij het H2 voegt.

spidey
Kobalt
Posts: 1367
Joined: 16 Jan 2009, 23:58
Chemistry interests: Inorganic
Location: Amsterdam

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by spidey » 02 Jan 2012, 16:46

Synthese van hydriden is niet het idee. In eerste instantie reductie van oxiden met waterstof en in tweede instantie H2 gebruiken als inerte atmosfeer. Dat veel stoffen juist niet zo gemakkelijk een hydride vormen, maakt dat H2 in een redelijk aantel gevallen als inerte atmosfeer kan dienen.

Hoe goed de scheiding van H2 en O2 wordt, zal ik moeten meten als alles klaar is. Helaas kan ik dat van te voren niet vaststellen. Het lijkt in elk geval allemaal goed.

Inmiddels heb ik een testje gedaan met twee RVS electrodes. Bij een electrodeoppervlak van 30 X 33 mm (9.9 cm2), liep er bij een spanning van 5 V een stroom van 5.5A. Dit betekent dat ik met een verrassend kleine setup toekan om grote stromen te trekken.

De volgende vraag is nu hoe ik uit de 12V/15A 5V/30A ga maken. Iets dergelijks moet kunnen door op een geschikte manier spoelen en condensators aan te sturen. Meer info volgt tzt. Alternatief is om nog een of twee computervoedingen om te bouwen.

spidey
Kobalt
Posts: 1367
Joined: 16 Jan 2009, 23:58
Chemistry interests: Inorganic
Location: Amsterdam

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by spidey » 05 Jan 2012, 23:41

Het converteren van die 12V/15A gaat niet lukken. De enige zinvolle methode is dmv een buck converter. De dimensionering daarvan heb ik hier gevonden. Maar dit komt ongeveer neer op een geheel design van een SMPS voeding. In dat geval is het handiger om meteen een totaalontwerp te maken voor een electrolyse voeding (ook variabele uitgangsspanning, etc.). Maar daar ga ik niet aan beginnen.

Conclusie: Het is het handigst om voor echt grote stromen meer dan 1 computervoeding te nemen en de electrolysecel van een aantal losse anodes te voorzien (voor iedere anode een aparte voeding). Kathodes kunnen op zich worden gecombineerd.

Overigens, bij 100% stroomefficiëntie is de gasopbrengst 7.62 ml H2 min-1 A-1. Voor O2 natuurlijk nog eens de helft hiervan.

User avatar
Reap
Argon
Posts: 681
Joined: 15 Sep 2011, 16:03
Chemistry interests: Inorganic
Location: Regio Eindhoven

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by Reap » 06 Jan 2012, 01:03

Dus 7,62ml H2 per minuut per ampere?
Als je weet hoeveel je nodig hebt om een vlam te onderhouden kan je dus uitrekenen wat de minimale stroomsterkte is.

lapidee
Helium
Posts: 47
Joined: 02 Apr 2011, 12:57
Chemistry interests: Inorganic
Location: Den Haag
Contact:

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by lapidee » 06 Jan 2012, 01:12

Computervoedingen zijn tegenwoordig veelal schakelende voedingen. Dat is toch een techniek waar ik al eens flink mee onderuit gegaan ben. Kan je dat zomaar even toepassen?
Met respect voor de chemische kennis hier, want daar ben ik de draad al kwijt.

Oja schakelende voedingen geven ook erg mooie rook wolkjes :o
Groet Ruud

spidey
Kobalt
Posts: 1367
Joined: 16 Jan 2009, 23:58
Chemistry interests: Inorganic
Location: Amsterdam

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by spidey » 06 Jan 2012, 13:07

Het zijn inderdaad schakelende voedingen. Zoals ik zei: het zelf dimensioneren (laat staan ontwerpen) is een onderwerp op zich. Ik wil me focussen op hoofdzaken, dus zal ik gewoon bestaande voedingen nemen en die lichtjes aanpassen wat betreft aansluitpunten en beveiliging, maar niet qua electronica.
Image
Ik denk dat die rookwolkjes wel meevallen. Ik heb als extra beveiliging de voeding ingebouwd in een kastje waarin ook een uitgangszekering zit. Die zal echt eerst doorbranden voor de boel in de hens gaat. Bij mijn proefjes van de laatste weken, viel me op dat die computervoeding zelf ook al behoorlijk beveiligd is. Hij sloeg al een keer op de thermische beveiliging, omdat de koelfan niet goed was aangesloten (inmiddels verholpen).

User avatar
Reap
Argon
Posts: 681
Joined: 15 Sep 2011, 16:03
Chemistry interests: Inorganic
Location: Regio Eindhoven

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by Reap » 06 Jan 2012, 17:27

Ze zijn redelijk goed beveiligd, althans de mijne.
Even kortsluiting en je moet minstends 10 min (of lekker in en uitpluggen bij het stopcontact) wachten tot je hem weer aan kan doen.
Ik heb zelf nog gewoon het doosje, mijn ouders vonden het niet zo leuk als ik de voeding open ging maken (woelens guide). Dus ik zit vast aan krokodillenklemmetjes.

Maar long story short, mooi werk spidey!

User avatar
Reap
Argon
Posts: 681
Joined: 15 Sep 2011, 16:03
Chemistry interests: Inorganic
Location: Regio Eindhoven

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by Reap » 26 Apr 2012, 19:31

Naar aanleiding van je post in het titanium forum:
Hoe gaat t met je H2 generator?

spidey
Kobalt
Posts: 1367
Joined: 16 Jan 2009, 23:58
Chemistry interests: Inorganic
Location: Amsterdam

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by spidey » 27 Apr 2012, 11:25

Inmiddels heb ik zeer concrete plannen. Aanvankelijk wilde ik een opstelling van glas maken, maar omdat glasbewerking nogal lastig is, heb ik besloten om polystyreen te gebruiken. Ik ga er vanuit dat dit ook wel een beetje druk kan hebben. Daarnaast is een andere belangrijke ontwerpwijziging dat ik alle onderdelen aan elkaar ga lijmen met polyester. (Polyester kan tegen geconcentreerde NaOH oplossingen, blijkt uit een test.) Door te lijmen, voorkom ik namelijk dat er gassen weglekken. Het onderhoud dat ik kan doen aan het apparaat is dan beperkt tot het vervangen van de vloeistof en spoelen met water. Als ik voor meer onderhoudsmogelijkheden zou kiezen, wordt het ontwerp veel ingewikkelder, omdat ik dan heel precies mechanisch zou moeten werken. Mocht het allemaal niet goed genoeg werken, kan ik alsnog een versie 2 maken.

Bij Blokker heb ik een PS maatbeker gekocht, die ik als uitgangspunt ga gebruiken. De electrodes worden (zoals al eerder gepost) van RVS. De berekening van de grootte gaat op basis van de eerdere tests; ze worden gedimensioneerd op 90% van de maximale stroom van de voeding. Er komen twee paar electrodes voor een maximale stroom van ongeveer 40A.

Ik heb een systeem ontworpen, waarbij ik een (automatisch) naaldventiel bedien om gedoseerd zuurstof uit te laten als er waterstof wordt afgenomen (vergelijkbaar met een floatersysteem in de stortbak van een toilet). Als er geen H2 wordt afgenomen, bouwen de hoeveelheden zuurstof en waterstof in de electrolyser op tot het niveau waarbij de electrodes droog komen te staan. De vloeistofniveau's blijven min of meer gelijk door de floater met het naaldventiel (daarom is de O2 kamer bewust iets te klein voor de hoeveelheid geproduceerde zuurstof).

H2 en O2 blijven gescheiden door gebruik te maken van een membraan. De maximale druk (= de druk waarbij dat gebeurt) is regelbaar door een extern "expansievat" (een flesje dat erop geschroefd kan worden; groter volume --> lagere max druk).

Omdat alle overige experimenten die ik had lopen inmiddels wel zo'n beetje zijn afgerond, denk ik dat ik hier zondag en maandag aan toe ga komen. Zodra ik concrete resultaten heb, post ik deze natuurlijk hier.

(Als ik toch bezig ben met electrolyse en membranen, wil ik ook gaan proberen om een opstelling voor electrolytische reductie te maken; daarvoor heb ik vergelijkbare benodigdheden nodig. Dat is de link met het Ti-experiment, een van de weinige onafgeronde proefjes die hier nog staan.)

spidey
Kobalt
Posts: 1367
Joined: 16 Jan 2009, 23:58
Chemistry interests: Inorganic
Location: Amsterdam

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by spidey » 01 May 2012, 00:21

Ik heb er dit weekend wat minder aan gedaan dan de planning was, maar een eerste begin is er:
Image Image
Als reactievat dient een polystyrenen maatbeker.
Op maat zagen en netjes schuren om een vlakke rand te krijgen.

Image
Electrodes van RVS. Het op maat zagen kost een paar slijpschijfjes van de Dremel Multi...
Dan de bramen en scherpe randjes en hoekjes eraf met de vijl.

Meer volgt.

spidey
Kobalt
Posts: 1367
Joined: 16 Jan 2009, 23:58
Chemistry interests: Inorganic
Location: Amsterdam

Re: Waterstofgenerator en -brander

Post by spidey » 03 May 2012, 23:52

Berekening van de ruimtes voor H2 en O2 en de scheidingswanden
Om het zuurstof en waterstof gescheiden te houden, moeten de ruimtes waarin deze gassen worden opgevangen zo goed mogelijk de verhouding van de volumes hebben waarin ook O2 en H2 worden geproduceerd. Het is vanwege het maken van de electrodes het gemakkelijkst om er dan een recht schot tussen te zetten. De vraag is dan alleen wat de maten van het schot (waar de electrodes tegenaan staan, gescheiden door het membraan) moet worden.
De volgende situatie is dus van toepassing op de indeling:
Image
Hierin is r de straal van de beker, l de lengte van de scheidingswand en alfa de hoek tussen het centrum van de cilinder en de beide contactpunten van de scheidingswand met de beker.

De volumeverhoudingen van de O2 en H2 ruimtes zijn als de verhoudingen van de oppervlaktes van de doorsnedes (vanwege cilider symmetrie).
Wat is de oppervlakte van de ruimte van O2 (noem het O_o)? (De oppervlakte van de ruimte van H2 is dan: O_h = pi * r^2 - Oo.)
I) Oppervlakte taartpunt := O_taartpunt = (alfa * r^2) / 2. (alfa in radialen)
II) Oppervlakte van de beide halve driehoeken is gelijk, vanwege de symmetrie van de opstelling.
Voor een halve driehoek geldt: sin(alfa/2) = (l/2)*(1/r)
--> l/(2*r) = sin(alfa/2)
--> alfa = 2 * asin(l/(2*r))
III) O_taartpunt = alfa * r^2 /2 = r^2 * asin(l/(2*r))
IV) O_hele_driehoek = 2 * O_halve_driehoek = 2 * (1/2 * h * (l/2)) = l * h / 2
V) cos(alfa / 2) = h / r --> h = r * cos(asin(l/(2*r))
VI) O_o = r^2 * asin(l/(2*r)) - r * l * cos(asin(l/(2*r)))/2

De maten van de beker die ik heb doorgezaagd zijn:
r = 4.68 cm (boven) en 4.39 cm (beneden)
Aangezien ik electrodes wil hebben die niet te diep naar beneden lopen, om niet te veel compressie te krijgen, heb ik besloten om twee ruimtes voor O2 te maken, zodat ik in effect twee brede, korte electrodeparen krijg.
Nu geldt er dus dat 2* O_o = 1/2 * O_h.
Met (VI) volgt hieruit voor de scheidingswand: l = 7.8 cm boven en 7.3 cm beneden.

De scheidingswand is in wezen een raam voor het membraan. De electrodes zitten aan weerszijden van het membraan. De scheidingswand krijgt een dikte van 4 mm. Dit betekent dat er (als ik het hart op de berekende lijn plaats) van zowel de waterstofruimte als van de zuurstofruimte iets aan volume af gaat. Omdat de zuurstofruimte de kleine ruimte is, zat dat procentueel meer zijn dan van de waterstofruimte. Dit zal bij het maken van het systeem dat het gasvolume in de beide ruimtes in balans houdt een voordeel zijn, omdat dat systeem zuurstof uitlaat. Daardoor zal marginale lek niet direct een probleem vormen, omdat de zuurstofruimte toch sneller volloopt.

Een eerdere meting liet zien dat twee electrodes met ieder een oppervlakte van 9.9 cm^2 aan weerzijden van het membraan, met een 2.0 M NaOH oplossing bij een spanning van 5.0V een stroom van 5.5A lieten lopen. Dit betekent dat er voor een stroomsterkte van 18.5A voor alle vier electrodes (2 per membraan en twee zuurstofruimtes en één gezamenlijke waterstofruimte), er per electrode een oppervlak van 16.65 cm^2 nodig is. Dit is dimensioneerbaar als electrodes met een hoogte van 3.0 en een breedte van 5.55 cm. Dat levert een beetje marge voor het membraan in de scheidingswand, als de breedte onder van de wand 6 mm is en boven (dus) 8.5 mm. De effectieve membraanbreedte wordt dan 6.1cm, dus aan weerzijden ruim 2 mm marge voor de electrodes op het membraan. Een handige hoogte is dan 3.8 cm voor het membraan. In de scheidingswand wordt dan een sleufje gezaagd waar het membraan in komt, dus zo goed mogelijk in het midden van de dikte van de wand (foto's volgen vermoedelijk dit weekend). De membranen en de scheidingswanden worden met polyester verlijmd. Dit geeft niet een heel sterke binding, maar er komen vrijwel geen externe krachten op te staan. Verlijmen met polyester is essentieel omdat de ruimtes wel gasdicht gescheiden moeten zijn.

Post Reply

Who is online

Users browsing this forum: No registered users and 3 guests