Ученые Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на базе Института катализа СО РАН разработали катализаторы, которые позволяют снизить энергозатраты при получении синтез-газа — перспективного водородсодержащего сырья. Благодаря разработке синтез-газ сможет иметь более однородный состав, а топливные элементы — стабильнее вырабатывать электроэнергию.
Синтез-газ— это водородсодержащий газ, который получают из природного газа (метана). При использовании его в высокотемпературных топливных элементах не требуется предварительного выделения H2 —водород и монооксид углерода являются топливом и реагируют в ходе электрохимической реакции. Еще один плюс использования синтез-газа вместо водорода в чистом виде — развитая масштабная сеть газопроводов в России. Ее общая протяженность составляет 179 тыс. км, в то время как длина водородных трубопроводов по всему миру — всего 4–5 тыс. км.
Ученые Водородного центра компетенций НТИ разработали структурированный теплопроводный катализатор на основе фехралевой сетки и платины, который показал высокую устойчивость и активность в реакции получения синтез-газа.
«Мы берем природный газ и перерабатываем его на месте с помощью катализатора в синтез-газ, который затем направляем в твердооксидный топливный элемент. Уже внутри него водород и монооксид углерода, входящие в состав синтез-газа, реагируют с ионами кислорода, и выделяется электроэнергия. Разработанный нами катализатор обеспечивает оптимальное распределение тепла в реакторе. За счет этого синтез-газ содержит минимальное количество побочных нежелательных продуктов, и электрическая энергия вырабатывается стабильнее. Кроме того, мы решаем логистическую проблему — можем использовать уже существующую инфраструктуру для природного газа», — рассказывает автор исследования, младший научный сотрудник Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» Наталья Рубан.
Синтез-газ производят несколькими методами, и исследователи сосредоточились на автотермическом риформинге метана: его смесь с водяным паром и кислородом в присутствии катализатора реагировала при температуре 700-800℃. Общий тепловой эффект этой реакции близок к нулю.
«При автотермическом риформинге в начале реакционной зоны происходит выделение тепла, а в конце — охлаждение. Теплопроводный катализатор позволяет перенести тепло, которое генерируется в ходе реакции, из начала в конец. Благодаря этому эффективность проведения реакции улучшается, плюс удается избегать локальных перегревов и захолаживания, за счет чего процесс проходит стабильнее», — говорит ученый.
По словам Натальи Рубан, топливные элементы, работающие на синтез-газе, можно использовать для генерации электроэнергии на мобильных и локальных станциях там, где есть газовые трубопроводы.
«Мы планируем масштабировать технологию, чтобы можно было создавать более крупные реакторы для производства синтез-газа», — добавляет заместитель руководителя Водородного центра компетенций НТИ Дмитрий Потемкин.