Разработка структурированного катализатора и фундаментальных основ проведения окислительной конверсии дизельного топлива в синтез-газ для использования в энергоустановках на основе топливных элементов

Ежегодно глобальный спрос на электроэнергию возрастает в большинстве областей ее применения. Устойчивое развитие энергетики остается одной из важных проблем для человечества из-за ограниченного количества ископаемых энергоресурсов и, что более важно, из-за выбросов CO2 при эксплуатации обычных энергетических систем, что способствует климатическим изменениям и глобальному потеплению. Для перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике разрабатываются альтернативные системы преобразования энергии. Перспективным вариантом для получения электроэнергии являются энергоустановки на основе топливных элементов, которые по своим техническим и эксплуатационным характеристикам превосходят эксплуатирующиеся в настоящее время коммерчески доступные энергоустановки киловаттного класса. Одной из основных проблем, сдерживающих внедрение энергоустановок на основе топливных элементов в повседневную жизнь, пока остается их стоимость и доступность используемого топлива. Таким образом, для начального, «переходного» периода существует большая потребность и значительный потенциал для технической и научной разработки эффективных систем преобразования энергии, работающих на привычном для потребителей дизельном топливе, инфраструктура которого широко развита во всех областях нашей страны. Эта задача может быть решена путем включения в состав энергоустановки дополнительного устройства – топливного процессора, позволяющего конвертировать дизельное топливо в пригодный для питания топливных элементов водородсодержащий газ. Во многих странах активно ведется разработка электрохимических генераторов малой мощности (1-5 кВт), работающих на дизельном топливе. Такое устройство состоит из топливного процессора, предназначенного для конверсии топлива в водородсодержащий газ, и топливного элемента. Достоинством технологии получения электроэнергии из дизельного топлива в электро-химических генераторах на основе топливных элементов является высокий КПД — от 35% до 65%, что в кратно превышает КПД дизельных генераторов малой мощности. Также к преимуществам относится экологическая безопасность, бесшумность работы, отсутствие движущихся частей, из-за чего установки не требуют обслуживания в течение долгого времени. Помимо применения в бытовых целях, подобные электрохимические генераторы могут быть использованы на борту грузовых транспортных средств в качестве вспомогательной энергоустановки. Такая технология позволит существенно экономить топливо, снизить выбросы в атмосферу и продлить срок службы ДВС. Устройство может получить широкое применение в отдаленных регионах нашей страны и в структурах Министерства обороны РФ. На рынке до сих пор отсутствует коммерчески доступный продукт — катализатор конверсии коммерческого дизельного топлива и, соответственно, топливный процессор, который бы позволял получать водородсодержащий газ для питания топливных элементов. Большинство научных исследований ограничивается проведением экспериментов в лабораторном формате. Трудности связаны с многокомпонентностью моторного топлива, а также наличием в нем каталитического яда – серы. Коммерческий дизель содержит в своем составе ди- и поли-ароматические соединения, конверсия которых вызывает наибольшие затруднения. Неполная конверсия топлива сопровождается зауглероживанием катализатора, что приводит к его дезактивации. Деградационные процессы также возникают из-за спекания активного компонента в условиях довольно высоких температур (750-1000 оС). Все эти факторы приводят к затруднениям в создании эффективного катализатора и, соответственно, топливного процессора. Решение данной научно-технической проблемы будет революционным, ускорив переход к экологически чистой, ресурсосберегающей распределенной энергетике, к возобновляемым источникам энергии и водородной энергетике. Успешное решение задачи получения водородсодержащего газа из дизеля автоматически открывает возможность по переводу энергоустановок для работы на возобновляемом природном сырье – биодизеле. На сегодняшний день коллективом исполнителей проекта был разработан высокоэффективный композитный катализатор типа “наночастицы активного металла (Rh)/наночастицы активного оксида (смешанные оксиды церия)/структурный оксидный компонент (оксид алюминия)/структурированная металлическая подложка (сетка из сплава FeCrAl)”. Катализатор демонстрировал стабильную работу на протяжении 200 часов в условиях паровоздушной конверсии коммерческого дизельного топлива. В результате выполненной работы было показано, что приготовленный каталитический блок является стабильным и регенерируемым в условиях риформинга углеводородов, нарушений морфологии и деградации микроструктуры не наблюдалось ни в лобовой части, ни на выходе из блочного катализатора. Следующим этапом является разработка топливного процессора для конверсии дизельного топлива в синтез-газ. Научная новизна проекта определяется комплексным подходом к решению сложной и актуальной проблемы каталитической окислительной конверсии многокомпонентных смесей жидких углеводородов дизельной фракции, разработки активного и стабильного катализатора и, в конечном итоге, создания топливного процессора для высокоэффективных транспортных и стационарных энергоустановок на основе топливных элементов. В условиях паровоздушной конверсии дизеля большое значение имеет разработка системы подачи и смешения реагентов для минимизации некаталитических гомогенных реакций, которые приводят к сажеобразованию. В ходе паровоздушной конверсии должна обеспечиваться высокая теплопроводность для передачи тепла из лобовой зоны (зоны с высокой экзотермичностью реакции, где преимущественно протекают процессы полного окисления), в хвостовую зону (зону с высоким эндотермическим эффектом, где идут процессы паро- и углекислотной конверсии углеводородов. Большинство исследований показывают, что недостаток тепла в хвостовой зоне катализатора играет ключевую роль в снижении конверсии топлива, поэтому эффективность риформинга во многом будет зависеть не только от катализатора, но и от конструкционных особенностей топливного процессора, разработка которого планируется в этой работе. В ходе проекта будут определены переходные режимы работы катализатора, а также способы его кратковременной регенерации для поддержания стабильной активности на длительном пробеге. Созданные новый катализатор и топливный процессор конверсии дизельного топлива позволят расширить область применения и круг потенциальных потребителей энергоустановок на основе топливных элементов, закладывая для их разработчиков и производителей все предпосылки по снижению себестоимости, производству коммерчески приемлемого и конкурентоспособного продукта и ускорению его выхода на рынок.