Паливний елемент - основа водневої енергетики

«Водень — паливо майбутнього», — так стверджують науковці. У багатьох країнах світу дослідження з водневої енергетики є пріоритетними напрямами розвитку науки. Вони забезпечуються фінансовою підтримкою і держави, і бізне  сових структур. Основна мета розвитку водневих техн...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Hauptverfasser:	Ковтун, Г., Полункін, Є.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainisch
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2006
Schlagworte:	Наукові повідомлення
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2001
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Паливний елемент - основа водневої енергетики / Г. Ковтун, Є. Полункін // Вісн. НАН України. — 2006. — N 3. — С. 78-83. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860027022338686976
author	Ковтун, Г. Полункін, Є.
author_facet	Ковтун, Г. Полункін, Є.
citation_txt	Паливний елемент - основа водневої енергетики / Г. Ковтун, Є. Полункін // Вісн. НАН України. — 2006. — N 3. — С. 78-83. — укр.
collection	DSpace DC
description	«Водень — паливо майбутнього», — так стверджують науковці. У багатьох країнах світу дослідження з водневої енергетики є пріоритетними напрямами розвитку науки. Вони забезпечуються фінансовою підтримкою і держави, і бізне сових структур. Основна мета розвитку водневих технологій — зниження за лежності від традиційних енергоносіїв — нафти, газу та вугілля. Світовий бум у сфері водневої енергетики не може не привернути увагу фахівців НАН Украї ни. Адже чимало академічних інститутів у 60–80 х роках минулого століття успішно працювали в цій галузі науки і техніки. Ключова умова переходу до водневої енергетики — пошук та створення надійних й економічно доцільних паливних елементів на основі водню.
first_indexed	2025-12-07T16:50:35Z
format	Article
fulltext	78 ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 3 НАУКОВI ПОВIДОМЛЕННЯ Г. КОВТУН, Є. ПОЛУНКІН ПАЛИВНИЙ ЕЛЕМЕНТ — ОСНОВА ВОДНЕВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ © КОВТУН Григорій Олександрович. Член�кореспондент НАН України. Заступник директора Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України. ПОЛУНКІН Євген Васильович. Кандидат хімічних наук. Старший науковий співробітник інституту (Київ). 2006. «Водень — паливо майбутнього», — так стверджують науковці. У багатьох країнах світу дослідження з водневої енергетики є пріоритетними напрямами розвитку науки. Вони забезпечуються фінансовою підтримкою і держави, і бізне� сових структур. Основна мета розвитку водневих технологій — зниження за� лежності від традиційних енергоносіїв — нафти, газу та вугілля. Світовий бум у сфері водневої енергетики не може не привернути увагу фахівців НАН Украї� ни. Адже чимало академічних інститутів у 60–80�х роках минулого століття успішно працювали в цій галузі науки і техніки. Ключова умова переходу до водневої енергетики — пошук та створення надійних й економічно доцільних паливних елементів на основі водню. Паливний елемент (ПЕ) — електрохіміч� ний генератор, який забезпечує пряме перетворення хімічної енергії на електричну. Відзначимо, що такі перетворення відбува� ються і в звичних нам електричних акумуля� торах. Однак паливні елементи мають дві важливі відмінності: по�перше, вони функ� ціонують доти, доки паливо (відновник) та окиснювач надходять із зовнішнього джере� ла; по�друге, хімічний склад електроліту в процесі роботи не змінюється, тобто палив� ний елемент не треба перезаряджати. Уперше про можливість створення ПЕ по� відомив у 1839 р. англійський аматор у га� лузі фізико�хімії, товариш знаменитого Майкла Фарадея Вільям Гроув (до речі, суддя за фахом) (W.R. Grove. Philos. Mag.— 1839. – 14. – Р. 127—129). Спостерігаючи процес електролізу води в розчинах сірчаної кислоти, він виявив, що після відключення зовніш� нього струму в електролітичній комірці ге� нерується постійний струм. Однак ці виснов� ки В. Гроува тоді не знайшли обґрунтування у подальших дослідженнях. Свій електрохі� мічний пристрій він, за пропозицією М. Фа� радея, назвав «газовою батареєю». Назву «паливний елемент» цей пристрій одержав лише через 50 років, з легкої руки Людвіга Монде (також хіміка�аматора, бізнесмена, співзасновника відомої фірми «Imperial Chem. Industries»). Не вдалося реалізувати й ідею знаного фізи� ко�хіміка Вільгельма Оствальда (1894 р.) щодо генерації електричної енергії у ПЕ з ву� гілля, а також винайдений російським уче� ним Павлом Яблочковим (1887 р.) воднево� ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 3 79 кисневий ПЕ, результати інших досліджень і численних винаходів. Інтерес до ПЕ знову відродився на почат� ку 50�х років ХХ століття після публікації 1947 р. монографії російського вченого, співробітника Московського нафтового ін� ституту ім. І.М. Губкіна О.К. Давтяна (Про� блема непосредственного превращения хими� ческой энергии топлива в энергетическую. — М.: Изд�во АН СССР, 1947. — 237 с.). Тож справді, нове — це добре забуте старе. І скіль� ки ще разів ми із вдячністю будемо зверта� тися до ідей наших мудрих попередників, щоразу згадуючи філософський закон про рух історії по спіралі! Бум навколо водневої енергетики виник за часів активного освоєння космічного просто� ру. У 60�ті роки минулого століття були ство� рені паливні елементи потужністю до 1 кВт для американських програм «Джеміні» та «Аполлон», у 80�ті — 10�кіловатні для «Шат� тла» та радянського «Бурану». У ті самі роки побудовано електростанції потужністю 100 кВт на фосфорно�кислотних ПЕ. В Японії та США є дослідні 10�мегаватні елек� тростанції. Від 90�х років і донині триває роз� робка паливних елементів потужністю від 1 кВт до 10 МВт для стаціонарної автоном� ної енергетики. Крім того, тепер розробля� ються портативні джерела електроенергії (потужність менше 100 Вт) для комп’ютерів, стільникових телефонів, фотоапаратів тощо. Як паливо у них використовується спирт — метанол, з якого одержують водень. Паливний елемент складається з двох електро� дів, розділених електролітом, і систем підведен� ня палива на один електрод та окиснювача — на другий, а також системи для видалення про� дуктів реакції (схема). У переважній більшості випадків з метою її прискорення викорис� товують каталізатори. Зовнішнім електричним колом паливний елемент з’єднаний із наванта� женням, що й споживає електроенергію. У паливному елементі з кислим електро� літом водень подається високопористим ано� дом і надходить в електроліт через мікропори у матеріалі електрода. При цьому відбуваєть� ся розкладання молекул водню на атоми, які в результаті хемосорбції, віддаючи кожен по одному електрону, перетворюються на пози� тивно заряджені іони. Цей процес спрощено можна описати такими рівняннями: Н2 2Н, (1) 2Н 2Н+ + 2е. (2) Іони водню Н+ дифундують через елект� роліт до позитивного боку елементу. Кисень, що надходить на катод, переходить в електро� літ і також реагує на поверхні електрода за участю каталізатора. При взаємодії його з іо� нами водню та електронами, які надходять із зовнішнього ланцюга, утворюється вода: 1/2 О2 + 2Н+ + 2е Н2О. (3) Подібні хімічні реакції відбуваються у па� ливних елементах із лужним електролітом (як правило, це концентровані гідроксиди натрію або калію). Водень проходить через пористий анод і реагує за наявності каталі� затора з існуючими в електроліті іонами гідроксилу з утворенням води та електрона: Схема паливного елементу ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 380 Н2 + 2ОН – 2Н2О + 2е. (4) На катоді кисень вступає в реакцію з во� дою, що містить електроліт, й електронами із зовнішнього ланцюга. У послідовних стаді� ях реакцій утворюються іони гідроксилу. Ре� зультуючу реакцію на катоді можна записа� ти у вигляді: 1/2 О2 + Н2О + 2е 2ОН –. (5) Підсумовуючи рівняння (1)—(3) та (4)— (5), одержимо давно відоме рівняння реакції окиснення водню: 2Н2 + О2 2Н2О. (6) У паливних елементах хімічна енергія па� лива й окиснювача безпосередньо перетво� рюється на електричну, тоді як у теплових машинах процес перетворення хімічної енергії охоплює кілька проміжних стадій, зо� крема стадію утворення теплоти. Вибір па� лива�відновника та окиснювача, що подають� ся до ПЕ, визначається передусім їхньою електрохімічною активністю (тобто швидкі� стю реакцій на електродах), вартістю, мож� ливістю легкого підведення реагенту до ПЕ і відведення продуктів реакції. Як паливо у ПЕ звичайно використовуються водень, рідше – CH3OH, СН4 та інші Н�вмісні органічні й неорганічні сполуки. Окиснювачем зазвичай є кисень повітря. Електрорушійну силу (ЕРС) паливного елементу можна розрахувати за відомими рівняннями хімічної термодинаміки: ЕРС = ∆G /nF, (7) де ∆G — зміна енергії Гіббса в результаті пе� ребігу хімічної реакції, n — число електронів на молекулу реагенту, F — постійна Фарадея. Наприклад, розрахунок за рівнянням (7) для реакції (6) і води у рідкому стані при тисках O2 і H2, рівних 100 кПа, дає значення Е = 1,23 в (25 °С). Оскільки процес перетворення енергії не має проміжної стадії генерації теплоти, то для електрохімічного способу не існує обмежен� ня циклу Карно, отже, теоретичний ко� ефіцієнт корисної дії (ККД) перетворення енергії можна розрахувати за рівнянням: ККД = ∆G / ∆H, (8) де ∆Н — зміна ентальпії у результаті перебігу хімічної реакції. Наприклад, ККД, визначе� ний за рівнянням (8), дорівнює 0,98 для ме� тану та 0,93 — для водню. Основні проблеми ПЕ. Як і будь�яке хі� мічне джерело струму, ПЕ характеризується напругою, потужністю і терміном служби. Напруга (U) паливного елементу нижча ЕРС через наявність омічного опору електроліту й електродів (R), а також поляризацію като� да ∆Ек й анода ∆Еа: U = (EРС) — IR — (∆Ек + ∆Еа), (9) де I — сила струму. Відомо, що поляризація електродів зростає зі збільшенням густини струму (i), тобто стру� му, віднесеного до одиниці площі поверхні електрода (S): i = (I/S). Отже, за такого само� го струму можна знизити його густину та по� ляризацію, застосовуючи високопористі елек� троди, що мають високорозвинену поверхню (до 100–150 м2/г). Для прискорення реакцій до пористих електродів додають каталізато� ри. Зазначимо, що найширше використову� ються каталізатори на основі платини, пала� дію, нікелю, золота та деяких металовмісних напівпровідникових матеріалів. Відповідно до рівняння (9) напруга ПЕ знижується зі збільшенням струму. Від на� пруги залежить і потужність паливного еле� менту (Р = IU), а також питома потужність на одиницю маси m й об’єму V ПЕ (Рm = P/ m, P V = P/V). У процесі роботи характеристики палив� ного елементу поступово погіршуються, що зумовлено дезактивацією та зношуванням каталізаторів, корозією основ електродів, зміною їхньої структури тощо. У відділі гомогенного каталізу та присадок до нафтопродуктів Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України розроблено стабільно діючий лабораторний зразок ПЕ з використанням як: палива — сірководню, окисника — кисню повітря, електроліту — морської води та каталізатора — кластерів ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 3 81 металів (патент України № 67065, міжнарод� ний патент WO 2004/144430 A2). Враховую� чи накопичені експериментальні дані, споді� ваємося, що у паливних елементах цього типу можна буде використовувати сірководень, який міститься у відходах хімічної та нафто� хімічної промисловості. Також відомі вели� чезні його запаси в Чорному морі. Цікаво, мабуть, і те, що майбутні водневі автомобілі зможуть працювати, образно кажучи, на мікроорганізмах. Американці знайшли цілу низку штамів, які беруть водень з деяких цукрів, що їх ферментативно одержують із поновлюваної рослинної біомаси. Причому з дуже високим виходом — до 50% водню. У подальшому дослідники збираються «при� вчити» ці штами «харчуватися» целюлозою, крохмалями тощо. Електрохімічні енергоустановки. Для збільшення струму та напруги ПЕ з’єднують у батареї. Останні можуть працювати, якщо до них безупинно подаються реагенти, виді� ляються продукти реакції і тепло. Пристрій, що складається з батарей ПЕ, систем підве� дення реагентів, автоматики, відведення про� дуктів реакції і тепла, одержав назву елект� рохімічного генератора (ЕХГ). ЕХГ входить до електрохімічної енергоустановки (ЕЕУ), що, крім ЕХГ, містить блок підготовки пали� ва, перетворювач постійного струму на змінний (інвертор) і блок використання теп� ла. Вибір вихідного палива для сучасних ЕЕУ визначається насамперед його вартістю, доступністю, екологічними показниками, хі� мічною активністю та питомою енергією на одиницю маси. Тому як вихідне паливо за� стосовують природний газ, вугілля, деякі не� дорогі синтетичні види палива, наприклад метанол. Однак з достатньо високою швид� кістю у ПЕ можуть окиснюватися лише во� день та у спеціальних видах ПЕ — моноок� сид вуглецю СО і метанол СН3ОН. Природні види палива та метанол попередньо конвер� туються у блоці підготовки палива до водню і СО. Продукти конверсії потім подаються до ПЕ. Оскільки ККД для ПЕ становить 50– 70%, то коли паливні елементи працюють, ви� діляється тепло, що може використовувати� ся або для теплофікації, або ж для генерації додаткової електричної енергії за допомогою парових чи газових турбін. Основні типи ПЕ та енергоустановок. Сьогодні розроблено п’ять головних типів ПЕ і велику кількість ЕЕУ на їхній базі. За типом електроліту ПЕ класифікують на лужні, твердополімерні, фосфорнокислі, роз� плавнокарбонатні та твердооксидні. За робо� чою температурою — на низько�, середньо� і високотемпературні. До найбільш розробле� них належать ПЕ з лужним електролітом (розчин їдкого калію). Як матеріал елект� родів найчастіше застосовують нікель, стій� кий у лужних розчинах. Для прискорення реакції використовують платинові каталіза� тори. Однак для ПЕ з лужним електролітом слід брати лише чисті водень та кисень, ос� кільки через наявність CО2 у повітрі і техніч� ному водні відбувається карбонізація лугу. Крім того, ці установки досить дорогі. Для цивільного застосування розроблено ПЕ з фосфорнокислим електролітом (98% розчи� ну Н3РО4). Паливні елементи такого типу працюють за температури близько 200 °С. Матеріалом електродів, стійким за цієї тем� ператури в агресивному середовищі, слугує графіт, а каталізаторами — платина та її спла� ви. Для ПЕ з кислотними електролітами окиснювачем може бути кисень повітря, адже компоненти повітря хімічно не взаємодіють з такими електролітами. На базі цього типу ПЕ створено та випробувано ЕЕУ потужні� стю від 12 кВт до 11 мВт. Деякі з них вийшли на рівень комерційної реалізації. Такого типу ЕЕУ мають термін служби кілька тисяч го� дин, їх сумарний ККД — 75%, у тому числі електричний — до 45%. Останнім часом науковці та практики ви� являють великий інтерес до ПЕ з твердопол� імерним електролітом (іонообмінною мемб� раною). Найчастіше використовують мемб� ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 382 рану типу «Nafion», яку в США та Канаді виробляє фірма «Дюпон». У Росії аналогічні мембрани випускають фірми «Пластполи� мер» та останнім часом — «Юкос». Матеріа� лом для електродів слугує графіт, каталіза� торами — Pt, Pd, Au та їхні сплави. Робоча температура ПЕ — близько 100 °С. Перевага� ми цього типу паливних елементів є відсутність рідкого електроліту, високі пи� томі потужності на одиницю маси та об’єму. Основне призначення таких ПЕ — електро� мобілі. Вартість паливних елементів досить висока: 1 кВт встановленої потужності в кра� щих зразках — це 1–3 тис. дол. США. По� трібно знизити вартість 1 кВт до 100 дол., щоб зробити їх конкурентоспроможними на транспорті. Розробки ЕЕУ на основі ПЕ із твердополімерним електролітом активно здійснюють у США, Німеччині, Росії, Япо� нії, Канаді та багатьох інших країнах. Так, фірма «Даймлер�Крайслер» провела успіш� ні дорожні випробовування автомобіля NECAR–5 (www.daimlerchrysler.com), що має такі якості, як тривалість дії двигуна внутрі� шнього згоряння з низькою витратою палива, низький рівень шуму та безпечний для навколишнього середовища вихлоп. У цій мо� делі використано ПЕ, принцип дії якого ґрун� тується на реакції окиснення водню на мем� бранному каталізаторі з утворенням води і ге� неруванням електричного струму. До анода паливного елементу підводиться водень, а до катода — кисень із повітря. Роль електроліту між ними виконує мембрана, виготовлена з протонопровідного полімеру, покритого тон� ким шаром благородного металу. Подача газів здійснюється під тиском 0,15–0,27 МПа. За оцінками фірми «Крайслер», масовий випуск автомобілів цього класу планується через 10 років. Фірми «Форд» та «Міцубісі» створи� ли комбіновані моделі, які поєднують тради� ційний двигун із двигуном нового поколін� ня, що працює на паливних елементах. Для одержання водню використовується прямо� гінний бензин. Вважається, що кращою си� ровиною для отримання водню все�таки є метиловий спирт, який конвертується безпо� середньо на борту автомобіля у газ (Н2, СО2), збагачений воднем: Метанол із бака подається на змішування з водою, а відтак — до випаровувача. Отри� мана суміш розкладається у перетворювачі на гетерогенному Сu–Zn–каталізаторі за температури 250–300 °С до Н2 та СО2, як по� бічний продукт утворюється і газ СО. Нейт� ралізація цього оксиду, який є не тільки ток� сичною сполукою, а й отрутою для ПЕ, здійснюється у блоці газового очищення шляхом селективного його окиснення. Ос� кільки в газовій суміші за високої концент� рації водню вміст СО досить малий (до 0,5%), то каталізатори, які використовуються для очищення водню в цьому процесі, мають ха� рактеризуватися високими активністю і се� лективністю. Розробка високоефективних каталізаторів очищення водню від СО є найважливішою проблемою сучасного каталізу у процесі ство� рення ПЕ для екологічно чистого автомобіля. Нанесені на тверді носії каталізатори — благо� родні метали (Au, Pt, Rh тощо) та їхні сполуки (наприклад, кластери і нанокластери металів Au, Pt, Pd тощо) пропонуються як найперспек� тивніші для реакції селективного окиснення СО. Так, у нашому відділі синтезовано актив� ний та селективний каталізатори окиснення СО за наявності Н2 і Н2О на основі кластерів платини (нанесені на сферичний носій). Ка� талізатор забезпечує ступінь очищення Н2 від СО близько 20 ppm, що вже може задоволь� нити вимоги до чистоти Н2 для ПЕ. ISSN 0372�6436. Вісн. НАН України, 2006, № 3 83 Отже, розв’язання проблеми одержання чистого водню — важливий крок сучасної хімії у реалізації однієї зі складних стадій тех� нологічного ланцюжка створення екологіч� но чистого автомобіля нового покоління. Нині вартість закордонного експерименталь� ного легкового автомобіля з паливними еле� ментами становить 100–200 тис. дол. США. Якщо у найближчому майбутньому вдасть� ся наблизити вартість автомобілів на ПЕ до бензинових, то це стане реальною альтерна� тивою традиційним нафтовим паливам у країнах, які імпортують нафту. Енергоустановки на основі ПЕ мають ба� гато переваг перед традиційними: вищий ККД (у 1,5–2 рази), екологічна чистота, прак� тична безшумність, широкий діапазон по� тужностей і вибору палива, можливості ко� генерації тепла. Поки що їх широке викори� стання гальмується через високу вартість (вони у 2—3 рази дорожчі порівняно з тради� ційними установками), а також недостатній термін служби. Після розв’язання цих про� блем системи на основі ПЕ використовува� тимуться досить широко: як автономні мало� потужні й транспортні енергоустановки, так і стаціонарні потужні станції. З метою подальшого розвитку в Україні цих робіт, а також для координації дослід� жень, які здійснюються фахівцями різних наукових напрямів (хіміками, фізиками, мікробіологами тощо), доцільно створити міждисциплінарну загальноакадемічну про� граму «Фундаментальні проблеми водневої енергетики». Її виконання дасть змогу нашим науковцям зробити свій внесок у розв’язан� ня цієї глобальної проблеми, на чому неодно� разово наголошував віце�президент НАН України академік НАН України В.Д. Похо� денко.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2001
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0372-6436
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T16:50:35Z
publishDate	2006
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format	dspace
spelling	Ковтун, Г. Полункін, Є. 2008-09-04T16:47:52Z 2008-09-04T16:47:52Z 2006 Паливний елемент - основа водневої енергетики / Г. Ковтун, Є. Полункін // Вісн. НАН України. — 2006. — N 3. — С. 78-83. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2001 «Водень — паливо майбутнього», — так стверджують науковці. У багатьох країнах світу дослідження з водневої енергетики є пріоритетними напрямами розвитку науки. Вони забезпечуються фінансовою підтримкою і держави, і бізне сових структур. Основна мета розвитку водневих технологій — зниження за лежності від традиційних енергоносіїв — нафти, газу та вугілля. Світовий бум у сфері водневої енергетики не може не привернути увагу фахівців НАН Украї ни. Адже чимало академічних інститутів у 60–80 х роках минулого століття успішно працювали в цій галузі науки і техніки. Ключова умова переходу до водневої енергетики — пошук та створення надійних й економічно доцільних паливних елементів на основі водню. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Наукові повідомлення Паливний елемент - основа водневої енергетики Article published earlier
spellingShingle	Паливний елемент - основа водневої енергетики Ковтун, Г. Полункін, Є. Наукові повідомлення
title	Паливний елемент - основа водневої енергетики
title_full	Паливний елемент - основа водневої енергетики
title_fullStr	Паливний елемент - основа водневої енергетики
title_full_unstemmed	Паливний елемент - основа водневої енергетики
title_short	Паливний елемент - основа водневої енергетики
title_sort	паливний елемент - основа водневої енергетики
topic	Наукові повідомлення
topic_facet	Наукові повідомлення
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2001
work_keys_str_mv	AT kovtung palivniielementosnovavodnevoíenergetiki AT polunkínê palivniielementosnovavodnevoíenergetiki

Паливний елемент - основа водневої енергетики

Institution

Ähnliche Einträge