Ученые Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Водород как основа низкоуглеродной экономики» на базе Института катализа СО РАН при поддержке Российского научного фонда 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 °C. 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.