Исследование зависимости выхода водорода от термохимических характеристик электролита в процессе электролиза

Введение. В мире, где обеспечение потребителей надёжным и экологически чистым энергоснабжением становится одной из ключевых задач XXI века, особое внимание уделяется возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) как инструменту решения экологических проблем и обеспечения удалённых регионов, лишённых доступа к централизованным энергосетям [1]. Развитие солнечных, ветровых и гидроэнергетических технологий позволяет создавать автономные энергосистемы, способные не только вырабатывать электроэнергию, но и производить топливо будущего - водород. В настоящее время водород получают преимущественно четырьмя методами [2]: паровой конверсией метана, обеспечивающей около 48 % мирового производства, побочными процессами нефтепереработки около 30 %, газификацией угля около 18 % и электролизом воды, доля которого пока не превышает 0,1 % от глобального объёма [3]. На рисунке 1 показана мировая структура производства водорода по методам. Среди указанных технологий именно электролиз воды, особенно при питании от ВИЭ, обеспечивает производ-ство так называемого зелёного водорода, не сопровождающееся выбросами CO₂ на этапе генерации [4]. По данным IEA, в 2023 году глобальное производство зелёного водорода составило около 0,5 млн тонн, однако при реализации заявленных проектов мощность установленных электролизёров может достичь 560 ГВт к 2030 году, что позволит производить до 50 млн тонн в год [5]. Актуальность развития технологий электролиза обусловлена возможностью интеграции в автономные и распределённые энергосистемы, питаемые от солнечных и ветровых станций, что особенно важно для отдалённых территорий и островных государств [6]. При этом эффективность электролиза во многом определяется не только источником питания и типом электролизёра, но и составом электролита, его термохимическими характеристиками - теплоёмкостью, теплопроводностью, вязкостью и температурой плавления, которые оказывают прямое влияние на скорость протекания электрохимических реакций, распределение тепла в системе и, как следствие, на выход водорода [7]. На рисунке 2 показана схема принципа работы электролизной установки, питаемой от ВИЭ. Рис. 1. Распределение методов получения водорода по доле в мировом производстве Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 392 Ekologiya va atrof muhit muhofazasi Рис.2. Принципиальная схема электролизной установки для производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии Современные исследования [8-10] показывают, что оптимизация состава и термохимических характеристик электролита позволяет снизить перенапряжение электродных реакций, уменьшить энергозатраты и увеличить выход водорода. Таким образом, анализ зависимости выхода водорода от состава и свойств электролита является важным шагом на пути повышения эффективности зелёных водородных технологий и расширения их применения в мировой энергетике. Целью исследования является определение зависимости выхода водорода от термохимических характеристик электролита в процессе электролиза, а также выявление оптимальных условий, обеспечивающих максимальную эффективность процесса. Задачи исследования направлены на комплексное изучение влияния термохимических характеристик электролитов на процесс электролиза. В рамках работы планируется провести обзор существующих теоретических и экспериментальных данных, классифицировать и описать типы электролитов, используемых в исследованиях, их состав и физико-химические свойства. Особое внимание уделяется определению зависимости скорости электролиза и выхода водорода от температуры, а также исследованию влияния теплоёмкости, теплопроводности и электропроводности электролита на общую эффективность процесса. На основе полученных результатов будут сформулированы рекомендации по выбору оптимальных параметров электролита, направленные на повышение производительности и энергетической эффективности электролизной установки. Обзор теоретических и экспериментальных исследований. Ведртнам А. и др. провели теоретико-экспериментальное исследование влияния термохимических свойств электролитов на эффективность водородного электролиза [11]. Модель учитывала тепловые потоки, электропроводность, вязкость и теплоёмкость раствора при 20-80 °C. Показано, что повышение температуры до 60-70 °C снижает внутреннее сопротивление на 12-18 % и увеличивает выход водорода на 10-14 % благодаря улучшению ионного переноса. Электролиты с более высокой теплоёмкостью и теплопроводностью обеспечивают равномерное распределение температуры и уменьшают потери энергии. Авторы отмечают, что контроль термохимических параметров электролита является ключевым фактором повышения эффективности зелёного водорода при питании от ВИЭ. Туйсух Х. и др. провели обзор технологий щелочного электролиза воды с акцентом на производство «зелёного» водорода и рассмотрели влияние состава и характеристик электролита на эффективность процесса [12]. Авторы отмечают, что для щелочных электролизёров используются растворы NaOH или KOH с концентрацией обычно 20-40 % и температурой 50-80 °C. Увеличение температуры электролита снижает внутреннее сопротивление и улучшает ионную проводимость, что способствует росту выхода водорода. “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 393 Ecology and environmental protection Наряду с этим высокая концентрация электролита улучшает электропроводность, но может повышать вязкость и вызывать рост омических потерь и коррозии электродов. Авторы подчёркивают, что контроль таких термохимических параметров, как температура, вязкость и электропроводность раствора, является ключевым для достижения энергоэффективности электролиза и масштабирования производства водорода. Чатенет M. и др. выполнили фундаментальный обзор технологий водородного электролиза, начиная с учебных материалов и заканчивая новейшими научными стратегиями и промышленными реализациями [13]. В данном исследовании особое внимание уделяется влиянию параметров электролита - температуры, вязкости, электропроводности и теплопроводности - на эффективность электролиза. Установлено, что повышение температуры снижает внутреннее сопротивление ячейки и ускоряет ионный перенос, однако чрезмерный нагрев ухудшает стабильность электродов. Также показано, что состав электролита и природа растворённых ионов влияют на перенапряжение, распределение тепла и образование пузырьков, что напрямую связано с термохимическими свойствами раствора. Комплексная оптимизация этих характеристик определяет повышение энергоэффективности и долговечности электролизёров. Парех A. и др. выполнили анализ влияния термохимических характеристик электролита на эффективность PEM-электролизёров [14]. В данном исследовании особое внимание уделяется зависимости выхода водорода от таких параметров, как теплопроводность, теплоёмкость, вязкость и химическая стабильность электролита. Установлено, что при повышении температуры электролита в диапазоне 100-180 °C наблюдается увеличение ионной подвижности и снижение внутреннего сопротивления ячейки, что способствует росту производительности водорода на 15-25%. Однако при достижении критических температур свыше 200 °C термодеструкция мембраны и деградация катализатора снижают выход H₂. Авторы подчёркивают, что оптимальный тепловой режим электролита должен обеспечивать равновесие между повышением проводимости и предотвращением перегрева. Также показано, что электролиты с высокой теплоёмкостью и стабильными протонными каналами позволяют поддерживать устойчивый выход водорода при длительной работе установки. Фент Й. и др. представили исследование, посвящённое влиянию термохимических свойств электролита на кинетику электролиза воды в щелочных системах [15]. В работе особое внимание уделяется зависимости выхода водорода от теплоёмкости, вязкости и теплопроводности раствора KOH при температурах 40-90 °C. Экспериментальные данные показали, что повышение температуры приводит к снижению перенапряжения на катоде и росту выхода H₂ до 28%, однако при концентрации электролита выше 8 М наблюдается увеличение вязкости и ухудшение теплообмена, что ограничивает эффективность процесса. Установлено, что оптимальные термохимические параметры обеспечивают стабильность газовыделения и минимальные тепловые потери при длительной эксплуатации. Авторы отмечают, что регулирование теплового режима электролита - ключевой фактор повышения эффективности промышленных электролизёров. Чжао Х., Ю. представили параметрическое исследование эффективности щелочного электролиза воды (AWE) с учётом термохимических параметров электролита [16]. В исследовании была разработана двухмодельная методика, связывающая напряжение ячейки с электролитной проводимостью, температурой и вязкостью раствора. Показано, что при повышении температуры электролита с 40 °C до 70 °C выход водорода увеличивался на 1218 % благодаря снижению сопротивления и улучшению ионного переноса. Одновременно было отмечено, что увеличение концентрации щелочи повышало электропроводность, но также могло увеличивать вязкость и ухудшать теплоотвод, что ограничивало дальнейший рост производительности. Авторы подчёркивают, что оптимизация термохимической Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 394 Ekologiya va atrof muhit muhofazasi структуры электролита - ключевой путь к повышению эффективности «зелёных» электролизёров. Сингх Р., Патель Д., Кумар С. представили экспериментальное исследование влияния термохимических свойств электролита на производительность протон-обменных (PEM) электролизёров [17]. В данном исследовании особое внимание уделяется зависимости выхода водорода от температуры и концентрации ионов в мембране Nafion-117. Показано, что повышение температуры электролита с 30 °C до 80 °C приводит к росту скорости генерации водорода на 20-25 % вследствие снижения активационной энергии реакции. При этом увеличение кислотности раствора до оптимального уровня 1 М H₂SO₄ усиливает протонную проводимость, но превышение этого порога вызывает деградацию мембраны. Авторы отмечают, что правильный баланс между термохимической стабильностью и ионной подвижностью электролита играет решающую роль в достижении высокой эффективности PEM-электролиза. Ли М., Чо Й., Хан Дж. выполнили численно-экспериментальное исследование влияния тепловых и химических свойств электролита на эффективность твёрдооксидного электролиза воды (SOEC) [18]. В данном исследовании особое внимание уделяется зависимости выхода водорода от температуры и состава оксидного электролита на основе YSZ (иттриево-стабилизированный цирконий). Установлено, что при увеличении температуры рабочего диапазона с 700 °C до 850 °C токовая плотность возрастает почти на 30 %, а удельный выход водорода - на 22 %. Моделирование показало, что увеличение содержания оксида иттрия улучшает ионную проводимость, однако чрезмерная концентрация (>10 %) снижает механическую стабильность электролита. Авторы приходят к выводу, что оптимизация термохимического состава твердооксидных материалов является ключевым фактором повышения долговечности и энергоэффективности SOEC-систем. Рашид К., Патель Р., Кумар С. представили экспериментально-численное исследование влияния термохимических характеристик электролитов на производительность протон-обменных электролизёров (PEM) [19]. В данном исследовании особое внимание уделяется взаимосвязи температуры, pH и ионной проводимости электролита с выходом водорода. Показано, что повышение температуры с 40 °C до 80 °C увеличивает выход водорода на 25 %, главным образом за счёт снижения внутреннего сопротивления мембраны Nafion 117 и ускорения кинетики реакции разложения воды. При этом чрезмерный нагрев выше 85 °C вызывает деградацию мембраны и падение КПД. Установлено, что оптимальное соотношение температуры и кислотности обеспечивает минимальные потери напряжения и максимальную удельную производительность электролизёра. Авторы отмечают, что управление термохимическим состоянием электролита - ключевой инструмент повышения долговечности PEM-систем. Ахмед М.Б., Фаттах И.М.Р., Мофиджур М. и др. представили обзор «Advancements in Electrode Development for Water Electrolysis: From Support Electrodes to Self-Supported Electrodes» [20]. В данном исследовании особое внимание уделяется влиянию термохимических и электрофизических характеристик электролита и электродов - в частности электропроводности, теплопроводности и теплоёмкости - на выход водорода и долговечность систем. Отмечено, что внедрение само-поддерживаемых электродов (SSE) способствует снижению омического сопротивления и улучшению теплоотвода, что напрямую увеличивает выход H₂ и эффективность при высоких плотностях тока. Если теплоёмкость и теплопроводность электролита оптимальны, то распределение температуры в ячейке становится более равномерным и уменьшаются локальные перегревы, что улучшает устойчивость реакции. Авторы подчеркивают, что высокая термостойкость электролита и оптимизированная система отвода тепла являются ключевыми факторами при масштабировании электролизёров для производства “зелёного” водорода. “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 395 Ecology and environmental protection Классификация и характеристика используемых электролитов. В современных исследованиях процессов электролиза воды применяются три основных типа электролитов: щелочные, протон-обменные (PEM) и твердооксидные (SOEC). Каждый из них обладает специфическим химическим составом, диапазоном рабочих температур и термохимическими свойствами, определяющими эффективность водородообразования. 1. Щелочные электролиты (AWE) основаны на растворах KOH или NaOH с концентрацией 20-30 %. Их ключевые физико-химические параметры включают высокую электропроводность (0,2-0,3 S·cm⁻¹ при 60-80 °C), относительно низкую вязкость и стабильность в широком диапазоне температур. При повышении температуры наблюдается рост электропроводности и ускорение ионного транспорта, что повышает выход H₂, однако чрезмерное нагревание снижает долговечность электродов. 2. Электролиты с протон-обменной мембраной (PEM) представляют собой твердые полимерные мембраны, например Nafion, способные проводить протоны при температуре 50-90 °C. Их преимуществом является отсутствие жидкой среды, высокая плотность тока и чистота получаемого водорода. Основным ограничением служит высокая стоимость и чувствительность к температурным перегрузкам. 3. Твердооксидные электролиты (SOEC) функционируют при высоких температурах (600850 °C) и используют керамические материалы на основе циркония (YSZ). Благодаря высокой теплопроводности и низким потерям на активацию, они обладают наибольшим КПД (до 90 %), однако требуют сложной термостойкой конструкции и стабильного теплового режима. Таким образом, выбор типа электролита определяется не только электрохимическими, но и термохимическими параметрами, такими как теплопроводность, теплоёмкость и вязкость, которые непосредственно влияют на скорость реакции электролиза и стабильность системы. Теоретическая часть. Процесс электролиза воды представляет собой электрохимический процесс, заключающийся в разложении молекул H₂O на составляющие компоненты - водород и кислород - под действием электрической энергии. Выход водорода определяется, прежде всего, физико-химическими и термохимическими параметрами электролита. Температурный режим является одним из важнейших факторов, определяющих эффективность процессов водородной энергетики. Производительность электролизёра в значительной мере зависит от температуры рабочего электролита: при снижении её ниже 10 °C наблюдается падение эффективности вследствие уменьшения электропроводности воды, тогда как повышение температуры до 50-70 °C способствует интенсификации электролиза. Это связано со снижением сопротивления электролита и улучшением ионного переноса, что обеспечивает рост выхода водорода и повышение общей эффективности системы на 5-15 % относительно условий при температуре окружающей среды. При повышении температуры наблюдается увеличение проводимости электролита, сопровождающееся снижением электрического сопротивления системы. Это, в условиях постоянного напряжения, вызывает возрастание протекающего тока [21]. Данная зависимость электропроводности от температуры может быть представлена формулой: 𝑘(𝑇) = 𝑘0[1 + 𝛼(𝑇−𝑇0)] (1) где: 𝑘𝑇− электропроводность при температуре 𝑇, 𝑘0 − проводимость при температуре 𝑇0, 𝛼− температурный коэффициент проводимости (примерно 0.02-0.03 °C⁻¹ для водных растворов) [22]. Связь между током, протекающим через электролитическую ячейку, и количеством получаемого водорода объясняется законом Фарадея при учёте закона Ома. Согласно этим Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 396 Ekologiya va atrof muhit muhofazasi положениям, увеличение силы тока обеспечивает прямопропорциональное возрастание выхода водорода, что математически описывается выражением [23]: 𝑅(𝑇) = 𝑈٠𝑘(𝑇)٠𝐴 𝐼(𝑇) = 𝑈 𝑙 (2) 𝑛𝐻2 = 𝐼٠𝑡 2𝐹 (3) где: 𝑈− напряжение между электродами, 𝑅(𝑇) − сопротивление электролита при температуре 𝑇, 𝐼(𝑇) − сила тока при температуре 𝑇, 𝑘(𝑇) − удельная электрическая проводимость при температуре 𝑇, 𝑙− расстояние между электродами, 𝐴− площадь электродов, 𝐹− постоянная Фарадея, 𝑛𝐻2 − количество выделяющегося водорода, 𝐼− электрический ток, проходящий через электролит, 𝑡− время прохождения тока. Эффективность преобразования энергии в электролизёре определяется температурным режимом, при этом суммарная энергоэффективность установки выражается следующим соотношением: 𝜂(𝑇) = 𝐸теор. 𝑈(𝑇)٠100% (4) где: 𝜂(𝑇) − эффективность электролизера, 𝐸теор. − теоретическая энергия разложения воды равная 1,23 В, 𝑈(𝑇) − фактическое напряжение, которое снижается при росте температуры. Экспериментальные данные показывают, что при нагреве электролита до 50-70 °C энергоэффективность возрастает на 5-15 % [24]. Эта зависимость может быть аппроксимирована эмпирическим выражением, отражающим относительный прирост эффективности: 𝜂(𝑇) = 𝜂0 + 𝛽(𝑇−𝑇0) (5) где: 𝜂0 − эффективность при температуре 𝑇0, 𝛽 - эмпирический коэффициент роста эффективности (~0.3-0.5 %/°C) для щелочного электролита. Таким образом, удержание рабочего раствора в оптимальном температурном диапазоне выступает ключевым фактором, определяющим рост производительности и повышение энергоэффективности электролизных систем. Не менее важным фактором, влияющим на результативность процесса электролиза и выход водорода, является химический состав электролита. Он определяет электропроводность раствора, интенсивность ионного переноса, долговечность электродов и уровень удельных энергозатрат. Применение щелочных растворов, например гидроксида натрия (NaOH), заметно повышает проводимость по сравнению с дистиллированной водой, что ускоряет процесс разложения молекул воды и снижает потребление электрической энергии [25]. Количество энергии, требуемое для выделения одного моля водорода. 𝐸= 𝑈٠𝐼٠𝑡 (6) где: 𝐸− потреблённая энергия (Дж), 𝑈− рабочее напряжение (В), 𝐼− ток (А), 𝑡− время (с). Специфические энергозатраты, необходимые для генерации одного кубического метра водорода, определяются по следующему выражению: 𝑊= 𝑈٠𝐼٠𝑡 𝑉𝐻2 · 1 3600000 (7) “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 397 Ecology and environmental protection где: 𝑉𝐻2 − объём произведённого водорода (м³), 𝑊− удельное энергопотребление (кВт·ч/м³). Для количественного анализа влияния изменения состава электролита на эффективность электролиза используется показатель относительной экономии электроэнергии. Данный параметр определяется как отношение разницы удельных энергозатрат до и после модификации электролита к исходному уровню энергопотребления: 𝜂эн = ( 𝑊0−𝑊1 𝑊0 )٠100% (8) где: 𝑊0 − удельное энергопотребление при использовании стандартного электролита (кВт·ч/м³ H₂), 𝑊1 − удельные энергетические затраты при применении изменённого состава электролита, 𝜂эн − относительное снижение потребления электроэнергии, выраженное в процентах. Таким образом, повышение эффективности и производительности электролизных систем возможно за счёт комплексной оптимизации как температурных параметров, так и химического состава электролита. Результаты аналитического исследования. В данной симуляции были проанализированы и сравнены активационные и омические перенапряжения. В щелочном электролизе реакции на электродах начинаются только при подаче энергии, необходимой для преодоления активационных потерь, что вызывает падение напряжения на электродах. Как показано на рисунке 3, в диапазоне токов от 0 до 50 мА наблюдается крутой наклон кривой, указывающий на активационную поляризацию. После 50 мА наклон становится менее выраженным, поскольку доминирующее влияние начинает оказывать омический эффект, связанный с сопротивлением электродов и электролита. Рис. 3. Зависимость активационного перенапряжения от плотности тока при различных температурах Согласно рисунку 4, омическое перенапряжение увеличивается линейно с ростом плотности тока. Данный эффект сопровождается образованием пузырьков газа на поверхности электродов, что снижает их проводимость и увеличивает общее омическое сопротивление в ячейке электролизера. Также установлено, что с повышением температуры оба типа перенапряжений снижаются. Например, при плотности тока 300 мА наибольшие значения активационного и омического напряжений наблюдаются при 20 °C, а наименьшие - Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 398 Ekologiya va atrof muhit muhofazasi при 100 °C, что объясняется снижением энергии, необходимой для инициирования реакции, и уменьшением размеров газовых пузырьков при высокой температуре. Рис. 4. Зависимость омического перенапряжения от плотности тока при различных температурах Влияние температуры на скорость потока водорода и энергетическую эффективность представлено на рисунках 5 и 6. Как видно, повышение температуры практически не оказывает влияния на скорость потока водорода, в то время как увеличение плотности тока приводит к пропорциональному росту выделения водорода, что указывает на зависимость данного параметра в основном от подаваемого тока. При этом температура оказывает значительное влияние на энергетическую эффективность: с её повышением КПД установки возрастает, достигая максимального значения при 100 °C и минимального при 20 °C. Низкая эффективность при низких температурах объясняется дополнительными энергозатратами на первоначальный нагрев во время запуска, при котором часть энергии рассеивается в виде тепла. Таким образом, оптимальная рабочая температура процесса щелочного электролиза составляет около 100 °C, при которой обеспечивается высокая производительность по водороду при минимальном энергопотреблении. Рис. 5. Зависимость скорости потока водорода от плотности тока при различных температурах “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 399 Ecology and environmental protection Рис. 6. Влияние температуры на энергетическую эффективность процесса электролиза Рекомендации по выбору параметров электролит. Для максимизации выхода водорода и энергоэффективности при сохранении долговечности ячейки рекомендуется подбирать состав и температуру электролита в оптимальных диапазонах. Наиболее высокий выход H₂ достигается при обеспечении высокой электропроводности и устойчивости системы: для щелочных электролитов оптимальна концентрация 20-35 % KOH или NaOH, для PEM - применение мембран типа Nafion с поддержанием рекомендуемой влажности, для SOEC - использование керамических оксидных электролитов (YSZ, GDC) с высокой ионной проводимостью. Температура электролита должна находиться в пределах 60-70 °C для AWE и 50-80 °C для PEM, где ускоряется электродная кинетика и снижается омическое сопротивление, что повышает выход H₂. Повышение температуры сверх оптимума или избыточная концентрация вызывают ускоренную коррозию и деградацию электродов. На практике следует экспериментально определять соотношение между приростом тока и изменением концентрации, а также оценивать зависимость выхода H₂ от температуры, фиксируя минимальное удельное энергопотребление. Совместный контроль вязкости, теплопроводности и электропроводности электролита обеспечивает эффективный теплоотвод и стабильную работу системы. Рекомендуется постоянный мониторинг параметров T, κ, pH и концентрации электролита для поддержания максимальной производительности при минимальных потерях энергии. Заключение. Проведённое исследование подтвердило, что эффективность электролиза воды в значительной степени определяется термохимическими свойствами электролита и его температурным режимом. Повышение температуры до оптимального диапазона приводит к росту электропроводности, ускорению ионного переноса и увеличению выхода водорода при одновременном снижении энергозатрат. При этом чрезмерный нагрев или высокая концентрация электролита вызывают деградацию материалов и рост потерь. Наиболее эффективным является комплексный подход, включающий регулирование состава, температуры и физико-химических параметров раствора. Такой подход обеспечивает не только повышение производительности и энергоэффективности, но и продлевает срок службы электролизной ячейки, что делает процесс производства «зелёного» водорода более стабильным и экономически целесообразным. Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 400 Ekologiya va atrof muhit muhofazasi “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №1/2026 401 Ecology and environmental protection Development of science and technology Scientific and technical journal №1/2026 402