Генератор водню

Реферат: Винахід належить до електрохімії, а саме до пристроїв для одержання водню. Генератор водню містить заповнений водою корпус з кришкою, який утворює герметичну ємність, анодний і катодний електроди, що розділені діафрагмою і підключені до джерела постійного струму, бак з водою, підключений через живильну трубку з клапаном до корпусу, газові колектори водню і кисню, підключені до відповідних ресиверів, при цьому корпус виконаний з оптично прозорого матеріалу, переважно із молібденового скла, анодний електрод виконаний у вигляді титанової пластини з нанесеним на неї шаром з двоокису титану ТіО 2 з частковим відновленням окислу від ТіО1,98 до ТіО1,995, катодний електрод - у вигляді пластини з титану, геометричні розміри якої практично відповідають розмірам анодного електрода, кришка корпусу виконана у вигляді багатошарової композиції, яка містить молібденове скло як основу з нанесеними на нього шарами TiO-NiCo-Ag-NiCo-TiO, при цьому електроди знаходяться в механічному і електричному контакті з багатошаровою композицією. Пристрій забезпечує ефективну конверсію сонячної енергії в хімічну з виділенням молекулярного водню і кисню, є нескладним конструктивно та безпечним в експлуатації. UA 99422 C2 (12) UA 99422 C2 UA 99422 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до енергетики, зокрема, до транспортної енергетики, а також до хімічної індустрії, фармакології і медицини. Зростання потреб в паливі і енергії при ресурсних і екологічних обмеженнях вже стає критичним чинником подальшого розвитку економіки країни і тому актуальною задачею є пошук технологій, здатних задовольнити істотну частину приросту енергетичних потреб країни і в даний час, і в перспективі, коли потенціал викопного органічного палива буде вичерпаний. Альтернативою викопним вуглеводневим носіям може стати водень, запаси якого і в земній корі і в світовому океані значні, а теплотворна здатність якого більш ніж втричі вище, ніж у бензину. Крім того, виробництво водню традиційно є однією з найкрупніших галузей хімічної індустрії (синтез аміаку, а з нього - азотної кислоти, гідридів, нітратів, солей і похідних амонію; водень потрібен також для отримання метанолу, гідрування різних органічних сполук і т.д.). Відомий спосіб і пристрій отримання водню, заснований на витісненні водню з води, яка поміщається в реактор сумісно з металевою тирсою дисперсністю менше 0,1 мм із сталі, чавуну, заліза, цинку або їх сульфатів і водними розчинами кислот або їх солей (авт. свід. СРСР № 264360, опубл. 1970 р.). Одержувана суміш газів має складний склад, у відсотках: Н 2 - 70-90, N2 - 10-19, О2 - 0,5, CO 0,3, СО2 - 0,2. Основним недоліком такого технічного рішення є сильна забрудненість одержуваного водню, очищення якого є складним і дорогим процесом. Частково вільним від вказаних недоліків є газогенератор водню, який містить реактор у вигляді теплообмінника з алюмінієвого сплаву, одержаного переплавленням відходів алюмінієвих і інших виробництв з додаванням зневодненого лужного металу у ваговій кількості до 10 %, що має ряд каналів для прокачування води, яка, контактуючи з лугом, що міститься в матеріалі реактора, руйнує оксидну плівку на його робочих поверхнях. На оголеній поверхні реактора вода розкладається, і водень, що виділився, надходить в накопичувач (пат РФ № 2253606, опубл. 2004 p.). Технічне рішення характеризується безпекою, екологічною чистотою. Проте при практичній реалізації потрібне нове енергоємне металургійне устаткування і підігрів реактора, а також необхідна постійна заміна активного металу реактора, який використовується, що знижує ефективність методу. Вказані недоліки частково усунені в генераторі водню по пат. РФ № 2232710 (опубл. 2003 р.), в якому перфорована капсула, завантажена дрібними гранулами алюмінієвих сплавів, розміщується в герметичному корпусі, в який подається водний розчин лугу, що нагрівається сумісно з гранулами до початку екзотермічної реакції розкладання води з утворенням водню. Недоліком такого технічного рішення є те, що екзотермічною реакцією важко керувати і складно добитися одночасно стабільної роботи пристрою і оптимізації продуктивності по генерації водню, що обмежує області використовування - припустимо в стаціонарних умовах, наприклад, на електростанції, і неприпустимо у складі транспортного засобу. Тим часом відомо, що більшу частину вироблюваної в світі енергії споживають транспортні, сільськогосподарські, будівельні автономні машини, в яких водень є добавкою до палива і активатором режимів згорання палива в двигунах внутрішнього згорання. В генераторі водню транспортного засобу по пат. РФ № 2243147 (опубл. 2003 p.) проблему стабілізації функціонування генератора і його високої продуктивності вирішено за рахунок стабілізації протікання хімічних реакцій шляхом грубого регулювання - зміною температури реагентів і м'якого - змінюванням площі твердого реагенту. Високої продуктивності і стабільної роботи генератора водню вдається досягти також і при використанні як реагенту спеціальної суміші гідрореагуючої - по пат. РФ № 2338684 (опубл. 2005), яка є комбінацією промислового порошку алюмінію або його сплавів, нанопорошку того ж матеріалу (14 % по вазі) і гідрооксиду натрію (3-7 %). Доцільність використовування вказаної гідрореагуючої суміші визначається співвідношенням продуктивності і вартості кінцевого продукту - водню - з урахуванням витрат на отримання нанопорошку відповідного сплаву і з урахуванням того, що ресурсна сировинна база металів, що використовуються, обмежена. Крім того, усі перераховані методи, засновані на хімічній взаємодії води з лужними металами, мають загальний недолік - наявність домішок у водні, що ускладнює його використовування і в паливних елементах, і в якості присадка в паливну суміш в двигунах внутрішнього згорання, і в технологіях отримання штучної нафти з вугілля (Вісник НАН України.2006. - № 8. - С. 23-30) і неприпустимо при використанні водню в медичних і фармакологічних цілях (медичні ванни, виробництво перекису водню, сорбентів на основі нанокремнію і т. д.), а також при виробництві напівпровідників, електротехнічних і неіржавіючих сортів сталі. 1 UA 99422 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В значній мірі від вказаних недоліків вільний електроліз - метод отримання водню за допомогою розкладання води або водних сумішей під дією електричного струму. І протягом довгого часу розглядаються фізико-хімічні процеси і технічні рішення, що стосуються вартісних характеристик методу, переважно характеру живильних струмів - постійного, змінного, імпульсного або їх комбінацій - з метою оптимізації продуктивності методу і типу електродів, що визначають терміни служби відповідних пристроїв-електролізерів, як генераторів водню (Експериментальні методи хімічної кінетики: навчальний посібник / Під ред. Н.М. Емануела і М.Г. Кузьміна. - М.: Вид-во московського Університету, 1985; Велика Радянська Енциклопедія, 3є видання. - М: Радянська енциклопедія, 1978, Т.30. - С. 62; авт. свід. СРСР № 453350 (опубл. 1974 p.), 1011730 (опубл. 1983 р.); патента РФ № 2034934 (опубл. 1995 р.) № 2119888 (опубл. 1998 р.) № 2157427 (опубл. 2000 р.) № 2157861 (опубл. 2000 p.), http/www.chem.net.ru/rus/teachng/ninebics-exp/ і ін.). Проте використання електролізних методів зв'язано з витрачанням значних кількостей електричної енергії - порядку 484 кДж/моль, і цей фундаментальний енергетичний показник не може бути подоланий ні спеціальним вибором геометрії електродів (патенти № 2256006 (опубл. 2005 p.), 2256007 (опубл. 2005 p.), 2258098 (опубл. 2005 p.), 2252980 (опубл. 2005 p.)), у тому числі і із залученням екзотичних механізмів (фізичного вакууму), ні зміною режиму живлення (імпульсного режиму) і включенням в пристрій додаткових енергетичних вузлів - генераторів інфразвукових і ультразвукових коливань (пат. РФ № 2258767 (опубл. 2003 p.), корисна модель (РФ) № 81964 (опубл. 2009 p.) і ін.), ні регулюванням зазору між електродами і переходом на високовольтний імпульсний режим електролізу з регулюванням шпаруватості (корисна модель (РФ) № 70895 (опубл. 2006 р.)). Тому привабливими виявляються технічні рішення, в яких як джерела електроживлення використовуються фотоелектричні станції, які перетворюють в електрику енергію сонячного випромінювання - дармове і безмежне джерело енергії, а як початкова сировина використовується вода - практично невичерпний ресурс (Вісник АН Казахської РСР. - 1985. - № 7; http//gizmod.ru/2008/08/04priduman sposob xranenija solnechnoe energii/). Сучасні кремнієві сонячні енергоустановки перетворять в електрику 10-12 % сонячної енергії; що надходить, коефіцієнт корисної дії промислового електролізу порядку 50 % (до теоретичного значення напруги поляризації додається декілька десятих вольт напруги поляризації електродів під струмом, втрати в електроліті (воді) і в дротах, так що необхідна напруга складає 2,2-2,4 В). Тобто, загальний ККД отримання водню складе 5 %, і такий показник може вважатися достатнім для промислового розвитку водневої енергетики, враховуючи, що сонячна енергія дістається задарма і що в загальному випадку промислові установки генераторів водню вказаного типу не прив'язані до традиційних центрів електрогенерації і можуть бути розташовані в будь-якому місці, забезпечуючи одночасно при необхідності інфраструктурні електропотреби. Проте дефіцит і дорожнеча виробництва "сонячного" кремнію - в даний час основного матеріалу для фотоелектричних перетворювачів - поки не дозволили розвинутися водневій енергетиці по вказаній схемі, і тому актуальною є задача укорочення виробничого ланцюжка розкладання води на водень і кисень з використовуванням сонячного випромінювання за допомогою побудови генераторів водню нового типу, в яких виключена ланка по перетворенню сонячного випромінювання в електричний струм, а сонячне випромінювання безпосередньо взаємодіє з водно-електродною парою. При цьому доцільно скористатися напрацюваннями по створенню найефективніших, перевірених практикою технічних рішень. Відомий генератор водню - електролізер, працюючий у складі транспортного засобу (авт. свід. СРСР № 1088959, опубл. 1984 р., за даними на 2008 р. включений в серійне виробництво під торговою маркою БЕЛ-5), який є найближчим аналогом (прототипом) до генератора водню, що заявляється, який містить заповнений водою корпус з кришкою, анодний і катодний електроди з вуглепластика, розділені діафрагмою і підключені до джерела постійного струму, бак з водою, підключений через живильну трубку з клапаном до корпусу, газові колектори водню і кисню, підключені до відповідних ресиверів. Використовування в пристрої-прототипі анодного і катодного електродів, виготовлених з вуглепластика з розвиненою поверхнею, замість плоских металевих, що використовуються в інших аналогічних пристроях, дозволяє підвищити продуктивність і терміни експлуатації пристрою, оскільки вуглецеві електроди не руйнуються ні в лугах, ні в кислотах. Проте високі енергетичні витрати при виробництві водню (при напругах на клемах 24-36 В споживаний струм перевищує 100 А) обмежують області використання пристрою. 2 UA 99422 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача спрощення і здешевлення пристрою, зниження енергетичних витрат на експлуатацію, підвищення термінів служби і безпеки функціонування і обслуговування. Поставлена задача досягається тим, що в генераторі водню, що містить заповнений водою корпус з кришкою, анодний і катодний електроди з вуглепластика, розділені діафрагмою і підключені до джерела постійного струму, бак з водою, підключений через живильну трубку з клапаном до корпусу, газові колектори водню і кисню, підключені до відповідних ресиверів, відповідно до винаходу корпус виконаний з оптично прозорого матеріалу, анодний електрод виконаний у вигляді титанової пластини з нанесеним на неї шаром з двоокису титана ТіО 2 з частковим відновленням окислу від ТіО1;98 до ТіО1,995, катодний електрод - у вигляді пластини з титану, геометричні розміри якої практично відповідають розмірам анодного електрода, кришка корпусу виконана у вигляді багатошарової композиції, що містить молібденове скло як основу з нанесеними на нього шарами ТіО-NiCo-Ag-NiCo-TiO, при цьому електроди знаходяться в механічному і електричному контакті з багатошаровою композицією. Виконання анодного електрода, опромінюваного сонячним світлом, з титану з нанесеним шаром двоокису титану з вказаним відхиленням від стехіометрії, забезпечує стійкість структури до світлової корозії і хімічну інтактність з водним розчином, насиченим активним киснем, високу стабільність в часі і одночасно високі фотовольтаїчні властивості. Саме, для електролізу води потрібна мінімальна напруга 1,7 В і для розкладання однієї молекули води Н2О потрібна енергія 1,7 еВ, тому ширина забороненої зони електродного матеріалу - діоксиду титану повинна перевищувати цей поріг для реалізації процесу електролізу (у принципі, цій умові задовольняють напівпровідникові матеріали на основі халькогенідів, фосфідів і арсенідів перехідних металів, але в них не вдалося запобігти фотокорозії і забезпечити стабільність процесів в часі). З другого боку, енергетичний бар'єр, який за допомогою світлового кванта вдається подолати електрону, повинен бути і достатньо високий з тим, щоб розділені носії - електрон і дірка - не могли рекомбінувати. З урахуванням реального спектрального вмісту сонячного випромінювання ширина забороненої зони повинна знаходитися в межах 2,1-2,3 еВ при використовуванні як сировини води з незначним змістом домішок, а двоокис титана при нескладній додатковій обробці, що переводить матеріал з діелектрика в напівпровідник за рахунок часткового відновлення окислу незначному зменшення кисню в порівнянні із стехіометричним складом - може забезпечити в матеріалі вказану зонну структуру і енергетичні характеристики електролізу, так що матеріал стає чутливим до більшої частини сонячного випромінювання з довжиною хвилі від 0,4 до 0,6 мкм. Виконання катодного електрода з титану, також корозостійкого, сприятливе з точки зору розташування границь забороненої зони відносно окислювально-відновних потенціалів у водному розчині. Саме, напруга розкладання водного розчину складається з потенціалів виділення водню і кисню. При вказаній комплектації електродної пари величини потенціалів укладаються на потенційній шкалі в інтервал плоских зон (у ширину забороненої зони) і напруги достатньо для розкладання води. Збільшити цю напругу і забезпечити гарантований електроліз (навіть у разі несприятливого взаємного зсуву потенціалу плоских зон і електродних потенціалів) вдається за рахунок розділення катодного і анодного простору мембраною, яка є прозорою для електронів і загороджуючою для аніонів і катіонів, так що біля анодного електрода, на якому розряджаються іони гідроксилу, середовище є лужним, а біля катодного електрода, де потрібні іони водню, концентрується кисле середовище (надлишок іонів гідроксилу), а мембрана перешкоджає змішанню вказаних середовищ, різниця рН досягає 14-15 і таким чином між електродами встановлюється додаткова концентраційна різниця потенціалів, яка спільно з фотопотенціалом анодного електрода дає напругу, необхідну і достатню для розкладання води. При практичних вживаннях генератор водню повинен працювати в широкому інтервалі температур навколишнього середовища, у тому числі і при знижених температурах, при цьому бажано, щоб сонячне випромінювання забезпечувало в певних межах автостабілізацію температури водного розчину, при якій фотохімічні процеси найбільш ефективні. В генераторі водню, який заявляється, це досягається за рахунок використання кришки корпусу спеціальної конструкції. Її п'ятишарове покриття з високою двосторонньою тепловідбивною здатністю (коефіцієнт віддзеркалення в діапазоні ІЧ-випромінювання порядку 0,93) забезпечує функціонування генератора водню в особливо жарку погоду, запобігаючи перегріву і випаровуванню робочого (водного) середовища, забезпечуючи при цьому хороший коефіцієнт пропускання видимого світла (не гірше 0,85), а в холодну погоду запобігає випромінюванню тепла, що утворилося в камері унаслідок тепла, яке надійшло ззовні 3 UA 99422 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 (коефіцієнт пропускання 0,07), і тепла, що розвинулося в результаті протікання фотоелектрохімічних реакцій. Крім того, наявність в композиції електропровідного шару з срібла забезпечує гальванічний контакт між електродами, необхідний для реалізації електрохімічних реакцій. Наявність в пристрої бака з водним розчином, встановленого по висоті так, щоб забезпечувати регулярну малобаричну подачу рідини і постійний безпосередній її контакт з нижньою поверхнею кришки, дозволяє за рахунок поверхневих ефектів на межі розділу середовищ дипольна рідина - тверде тіло виконати умови для орієнтації диполів і виникнення на поверхневому шарі різниці електричних потенціалів (орієнтаційна поляризація [Колоїдний журнал - 1977. - Т. 39, № 3. - С. 455-459]), і унаслідок того, що у води проекція вектора квадрупольного моменту на вісь диполя співпадає з напрямом вектора дипольного моменту молекули, поверхневий потенціал такої дипольної квадрупольної рідини позитивний і електрична складова поля сонячного випромінювання злагоджена по напряму з поверхневим потенціалом рідини, що забезпечує необхідне проникнення випромінювання в робочу рідину. Іншими словами - поверхневий шар є узгоджувальним трансформатором, що забезпечує якнайповніше поглинання водним розчином сонячного випромінювання. На креслення представлена функціональна схема генератора водню, де 1 - корпус з оптично прозорого матеріалу, переважно з молібденового скла, заповнений водним розчином 2 і забезпечений кришкою 3 з молібденового скла з багатошаровим покриттям 4; 5 - анодний електрод, що складається з несучої основи - пластини 6 з металевого титану і шару 7 оксиду титану, підданого відновлювальному відпалу і нанесеного на основу методом магнетронного реактивного розпилення, який забезпечує надійний контакт і кристалографічну спорідненість з титаном, 8 - електроізоляційній шар, 9 - катодний електрод у вигляді пластини з титану, 10 мембрана, 11 - газовий колектор водню, 12 - газовий колектор кисню, 13 - ресивер водню, 14 ресивер кисню, 15 - бак с водним розчином та нарізним ніпелем 16, 17 - живильна трубка зі штуцером 18. З'єднання корпусу з кришкою і упаювання електродів в кришку здійснюють за допомогою молібденового дроту, який забезпечує узгодження. При практичному використовуванні пристрій фіксують по відношенню до сонця за допомогою спеціального пристрою - тракера - так, щоб анодний електрод був максимально освітлений. Функціонування пристрою - генератора водню полягає в наступному. На анодний електрод падають кванти світла (h), які генерують в напівпровідниковому матеріалі - оксиді титану електронно-діркові пари. Дірка, як носій позитивного заряду, дифундує до межі розділу з водним розчином, зустрічаючись там з іоном гідроксилу, рекомбінує з ним, утворюючи атом кисню. Електрон по зовнішньому ланцюгу, утвореному електропровідним шаром срібла у складі багатошарового покриття кришки, переходить на катод, зустрічає на його поверхні іон водню, і їх об'єднання приводить до утворення спочатку атома, а потім і молекули водню. В хімічній символіці цей процес описується рівнянням: на напівпровідниковому аноді (в двоквантовій розмірності): Ї  2h  2h   2e  H2 O  2h   1/ 2O 2  2H на металевому катодному електроді: 2H  2e   H2  45 (знак  означає виділення газоподібного водню). В цілому реалізацію вказаного процесу можна описати рівнянням: H2O  2h  50 55 1 O 2  H2  , 2 з якого видно, що на катодному електроді виділяється молекулярний водень, на анодному електроді - молекулярний кисень. Кожний з газів через свій колектор, звернений до відповідного електроду, поступає у відповідний ресивер для подальшого використання за призначенням. Важливою обставиною при цьому є те, що кожний з газових компонентів локалізований в околиці "свого" електроду, що забезпечує хімічну чистоту як водню, так і кисню. При полегшених вимогах до чистоти газів, які утворюються, можна скористатися додатковим механізмом їх генерації за рахунок безпосередньої взаємодії сонячного випромінювання з 14 об'ємом рідини. Саме, на частоті сонячного випромінювання =10 Гц енергія кванта h складає -34 14 -20 h=6,6210 10 =6,6210 Дж (0,041 еВ). 4 UA 99422 C2 -21 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 -2 Ця величина значно більше енергії теплового руху молекул води кТ = 4,110 Дж (2,210 еВ) при температурі 298 K, тобто сонячному випромінюванню легко вдається подолати теплове руйнування середовища і провести змінювання ряду електрофізичних характеристик водного розчину навіть при 10 %-ному коефіцієнті поглинання (в [Ползуновський вісник. - 2008. - № 3. С. 305-309] показано, що навіть при енергії взаємодіючого з водою кванта електромагнітного -26 8 випромінювання 6,6210 Дж (на частоті 10 Гц) при визначеній експозиції істотно змінюються її електропровідність і величина рН). Збільшення електропровідності збільшує частину поглиненого сонячного випромінювання, а поглинена енергія йде на змінювання енергії водневих зв'язків і змінення структури води, що у свою чергу веде до збільшення поглинаючої здатності водного розчину і інтенсифікації процесу його розкладання. Такий сценарій підтверджений експериментально: в [http://www.lenta.ru/news/2007/09/11/saltwater/, http://www.post.gazette.eom/po/07252/81592085.stm] вдалося "підпалити» солону воду електромагнітним випромінюванням надвисокочастотного діапазону - здійснити розкладання води на водень і кисень в концентрації "гримучого газу" (ефект Канзіусу), а відповідно [http://news.cosmoport.com/2001/10/02/l.htm] Національна агенція космічних досліджень Японії (NASDA) і Токійський інститут лазерних технологій на основі одержаних результатів натурних випробувань ефектів взаємодії монохроматичного (лазерного) випромінювання з морською водою розробляють енергетичний проект по розщеплюванню морської води з використанням лазерної установки космічного базування (потужністю 10 МВт), з накачкою від сонячного випромінювання, і згідно з розрахунками для виробництва водню як палива, еквівалентного 1 л бензину, знадобиться усього тільки 9 пенсів, тобто можливе ефективне розкладання води з виділенням водню при безпосередній взаємодії оптичного випромінювання з водним середовищем. Безперечно, що обробка лазерним або надвисокочастотним випромінюванням великих масивів води на користь великої енергетики доцільна з економічної точки зору. Проте у вказаних технологіях виділення водню і кисню не локалізовано просторово (не прив'язані, наприклад, до електродів), і потрібні додаткові заходи щодо їх роз'єднання, а водень потребує ретельного очищення від кисню і інших газів. Так, 5 % вміст кисню за деяких цілком реальних умов може привести до детонації, вибуху всієї паливної системи або системи зберігання, а навіть незначний вміст монооксиду вуглецю приводить до отруєння каталізатора паливних батарей [http://popnano.ru/analit/index:phptask=view]. Водень і кисень, одержуваний за допомогою генератора водню, що заявляється, через використані спеціальні фізико-хімічні механізми можуть бути охарактеризовані як особливо хімічно чисті і тому області їх використання можуть бути значно розширені, охоплювати, зокрема, медичну і фармакологічну галузі. До переваг пристрою, який заявляється, слід віднести і те, що він працездатний при низьких рівнях світлового потоку. По-перше, унаслідок того, що тут можливий ефект накопичення енергії (тобто вихід на стаціонарний режим здійснюється з деякою затримкою для того, щоб перевищити енергію теплового руху кТ). І, по-друге, для води і водних розчинів істотну роль грають водневі зв'язки (визначаються тяжінням атомів водню однієї молекули до атомів кисню сусідніх молекул: атоми кисню відтягають електрони від атомів водню до себе, внаслідок чого атоми водню набувають невеликий позитивний заряд, а атоми кисню заряджаються негативно), які дуже слабкі (слабші за звичайні хімічні зв'язки приблизно в 10 разів), то навіть малоінтенсивні потоки сонячного випромінювання приводять до зміни структури водневих зв'язків і зміни інтегральних характеристик водного розчину, зокрема, збільшення електропровідності і зменшення діелектричної проникності (встановлено експериментально) і, отже, до поліпшення узгодження по імпедансу з повітряним середовищем і до підвищення поглинаючої здатності сонячного випромінювання. Специфіка функціонування пристрою, який заявляється, полягає і в тому, що в у присутності оксиду титану в різноманітних середовищах, у тому числі і що містять вуглеводні (в стандартних умовах між молекулами вуглеводів водневі зв'язки не утворюються), атоми водню взаємодіють з атомами титану за допомогою зв'язків, подібних водневим, але з меншою величиною зв'язку [Journal Chemical Society: Chemical Communications. - 1983. - N 21. - P. 1258-1261], тобто водне середовище в пристрої, що заявляється, може активуватися при надзвичайно низьких рівнях освітленості, у тому числі і в нічний час. Технології сонячно-водневої енергетики як макротехнології найвищого рівня, що увібрали в себе весь спектр локальних технологій від нанотехнологій і матеріалознавства до електрокаталізу і електрохімії - здатні забезпечити прискорене просування економіки країни з обмеженими енергетичними ресурсами по інноваційному шляху розвитку і створення базових 5 UA 99422 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 технологій шостого технологічного устрою в промисловості. Вони дозволять подолати бар'єри зростання, що склалися, вирішити задачі диверсифікації структури вітчизняної економіки, значною мірою залежної від імпорту енергоносіїв і сировини для хімічної і фармацевтичної промисловості. І хоча в даний час жодному з відомих методів отримання водню не можна віддати перевагу, воднева енергетика з використанням сонячного випромінювання є найперспективнішій з огляду на невичерпність сонячній енергії, її величезну сумарну, кількість (за рік на земну поверхню 14 13 обрушується 3,910 Дж енергії, що еквівалентне спалюванню 8,610 тонн нафти). І для максимального і швидкого використання цього величезного потенціалу недостатній звичний технічний рівень робіт і мислення, - необхідний рівень наукових закономірностей. У вузькому (але важливому) сегменті економіки - в транспортній галузі - розвиток сонячноводневої енергетики (з подальшим спалюванням водню в паливних батареях для виробництва електроенергії) набуває особливого значення унаслідок того, що сплановані траси високошвидкісного транспорту на магнітному підвісі, що пролягають по території України, в більшій частині не співпадають з існуючими залізничними і автомобільними трасами і використовування сонячно-водневих установок, суміщених з паливними батареями, дозволить ефективно вирішити задачі енергозабезпечення інфраструктури нових транспортних магістралей (вокзали, диспетчерські пункти, автоматичні станції управління і збору інформації про рух, зв'язок), при цьому вказані енергетичні комплекси можуть бути і необслуговуваними. При цьому використання накопичувачів (ресиверів) водню і кисню, як беззмінних компонентів генератора водню, дозволяє значною мірою ослабити серйозний недолік сонячної енергії, що поки що обмежує її широке використання - мінливість у часі. Важливо і те, що використання накопичувача енергії у вигляді робочих газів - водню і кисню у декілька разів ефективніше (з урахуванням втрат при зберіганні) акумуляції енергії у вигляді електричного заряду електрохімічних накопичувачів (свинцево-кислотних акумуляторних батареях), що традиційно сполучаються з фотоелектричними перетворювачами. ' В практичних реалізаціях пристрій, що заявляється, доступний для серійного виробництва рядом промислових підприємств в кооперації з підприємствами, які мають технології магнетронного розпилення матеріалів і відповідне метрологічне забезпечення (рентгеноспектральний аналіз, електронна мікроскопія, інтерферометрія): в Україні - Державна холдингова компанія "Дніпровський машинобудівний завод", в Російській Федерації Національний дослідницький ядерний університет "МІФІ", ФГУП МРТІ, ЮФ РАН, ФІАН, Інститут фізики міцності і матеріалознавства СВ РАН. При цьому діоксид титану з вказаним відхиленням від стехіометрії може бути одержаний як магнетронним розпиленням титанових мішеней (з технічно чистого титана марки ВТ1-О або титанового сплаву АТ-3 (з добавками в мікроскопічних кількостях кремнію і вуглецю)), так і розщепленням монокристалів стехіометрично чистого ТіО 2 при температурі 1050 С у вакуумі -4 10 Па протягом 2-2,5 годин у присутності ніобію, так що питомий опір висхідного матеріалу 12 змінюється від 10 Омсм до 1 Омсм, утворюючи напівпровідниковий матеріал n-типу. Титанова сировина достатньо повно представлена в природі, і у ряді передових в технологічному плані країн освоєно виробництво титану і його сплавів. В Україні, зокрема, виробництво титану здійснено на ДП "Запорізький титаномагнієвий комбінат", в Державній холдинговій компанії "Дніпровський машинобудівний завод" розроблена високоефективна НВЧтехнологія отримання дiоксиду титану з титаномагнетиту - ільменітової руди Коростишевського плутону (Житомирська область). Заявлене технічне рішення має значний потенціал розвитку: в Європі створена європейська воднева асоціація (ЕНА), яка об'єднує вже існуючі національні асоціації Франції (AFH2), Німеччини (DNV), Норвегії (NHF), Швеції (H2forum). На стадії формування асоціації Іспанії, Греції і Нідерландів. Розробляються багатопланові загальноєвропейські водневі проекти (Е1НР1, Е1Н 2 та ін.). Діоксид титану у всіх його кристалічних формах (рутил, анатаз, ромбічний брукіт) нетоксичний, і з погляду природоохоронних положень виробництво водню із застосуванням заявленого пристрою екологічно прийнятне. 55 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 Генератор водню, який містить заповнений водою корпус з кришкою, анодний і катодний електроди, розділені діафрагмою і підключені до джерела постійного струму, бак з водою, підключений через живильну трубку з клапаном до корпусу, газові колектори водню і кисню, підключені до відповідних ресиверів, який відрізняється тим, що корпус виконаний з оптично 6 UA 99422 C2 5 прозорого матеріалу, переважно із молібденового скла, анодний електрод виконаний у вигляді титанової пластини з нанесеним на неї шаром з двоокису титану ТіО 2 з частковим відновленням окислу від ТіО1,98 до ТіО1,995, катодний електрод - у вигляді пластини з титану, геометричні розміри якої практично відповідають розмірам анодного електрода, кришка корпусу виконана у вигляді багатошарової композиції, яка містить молібденове скло як основу з нанесеними на нього шарами TiO-NiCo-Ag-NiCo-TiO, при цьому електроди знаходяться в механічному і електричному контакті з багатошаровою композицією. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7