В Томском политехе разработали новый метод получения водорода для электромобилей

Ученые Томского политехнического университета разработали эффективный способ пиролиза метана с целью получения водорода, который может применяться в электромобилях и электрогенераторах. Они впервые предложили дополнить барботажный реактор, где протекает пиролиз, блоком плазмохимической наработки радикалов. 

Использование неравновесных радикально-цепных химических процессов позволяет увеличить скорость реакции пиролиза в десятки раз и повысить производительность установки. Исследование проводилось в рамках аванпроекта при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030» и индустриального партнера. Полученные данные будут использованы при разработке установки для водородных заправочных станций.

Водород является важным и перспективным компонентом энергетических систем, так как его использование не приводит к выбросам углекислого газа и не влияет на изменение климата. Он может использоваться прежде всего для питания топливных элементов электромобилей. Пиролиз метана — наиболее подходящая технология получения чистого водорода для топливных элементов.

Основная проблема пиролиза метана — сбор мелкодисперсного углерода — достаточно просто решается при использовании барботажного реактора. В нем метан пропускается (барботируется) через теплоноситель. Проходя снизу вверх, он поднимается в виде микропузырьков, в которых проходит разложение на углерод и водород. 

Углерод всплывает на поверхность в виде мелкодисперных частиц, водород «проходит» дальше и собирается в баллоны. Так происходит разделение продуктов пиролиза. Однако процесс пиролиза метана в барботажном реакторе имеет низкую производительность из-за низкой скорости реакции даже при температуре 1000 °С. При этом производительность конвертера метана в водород на автомобильной газонаполнительной станции должна составлять 5-10 кг/час водорода.

Специалисты Инженерной школы новых производственных технологий предложили применить неравновесный радикально-цепной механизм пиролиза метана для увеличения производительности барботажного реактора. В рамках исследования они смоделировали помощью программы Kintecus процессы, которые будут происходить при использовании плазмы для ускорения реакции.

Многочисленные исследования показали, что пиролиз углеводородов реализуется как радикально-цепной химический процесс. Однако длина цепи небольшая, процесс пиролиза идет медленно, степень конверсии низкая. Ускорить реакцию позволяют активные радикалы метила и водорода. В равновесных условиях для их получения требуется нагреть метан до температуры выше 1000 К. 

Наше техническое решение заключается в использовании дополнительного блока плазмохимической наработки радикалов. Они образуются в газовом разряде в метане и далее поступают в реактор, — рассказывает руководитель проекта, профессор отделения материаловедения Томского политехнического университета Александр Пушкарев.

Расчеты показали, что совмещение в конвертере метана плазмохимического источника радикалов и барботажного реактора обеспечивает значительное ускорение реакций и увеличение степени конверсии до 100 %. Кроме того, за счет увеличения скорости реакции и улучшения кинетики превращений удалось в два раза уменьшить объем самой установки. Она может устанавливаться как в отдельном помещении на территории автомобильной газонакопительной станции, так и быть вмонтированной в действующий конвертер метана.

На следующем этапе проекта ученые создадут опытный образец установки и проведут ее тестирование. Работы запланированы на второй квартал 2023 года.