Исследователи разработали керамический мембранный реактор для производства водорода

Исследователи из CoorsTek Membrane Sciences, Университета Осло и Instituto de Tecnologica Quimica в Валенсии, Испания, сотрудничали в разработке технологии реакторов с керамической мембраной для улучшения производства водорода. С помощью этой технологии исследователи успешно создали метод, позволяющий одновременно производить водород и улавливать CO2. Это делает метод гораздо более энергоэффективным.

«Установленные в настоящее время методы имеют рейтинг энергоэффективности от 70% до 75%, но наш подход имеет потенциальную эффективность 90%», — объяснил Харальд Малерёд-Фьельд из CoorsTek Membrane Sciences в Осло. «Конечным продуктом является сжатый водород высокой степени чистоты. Реактор с керамической мембраной также более эффективно отделяет углекислый газ, что позволяет легко транспортировать и изолировать парниковый газ».

Пять лет назад исследовательской группе только что удалось продемонстрировать фундаментальные принципы производства водорода с использованием нового и высокоэнергетического подхода. Недавняя статья в журнале Science подтвердила, что метод работает, и сейчас команда работает над масштабированием технологии.

«Это важный шаг на пути к тому, чтобы сделать водород более практичным в качестве топлива», — прокомментировал Малерёд-Фьельд. «Этот процесс также имеет низкий углеродный след».

CoorsTek Membrane Sciences специализируется на производстве керамических материалов для преобразования энергии и вместе с SINTEF является одним из исследовательских партнеров в этом проекте.

Исследование проводится на объектах и лабораториях SINTEF в Осло, которые расположены рядом с помещениями CoorsTek Membrane Sciences. Старший научный сотрудник Тийс Петерс из SINTEF является одним из соавторов статьи в журнале Science о новом проекте.

«Что интересно в этой технологии, так это то, что она имеет как краткосрочную, так и долгосрочную актуальность», — добавил Питерс. «Его можно использовать не только для производства голубого водорода из природного газа, но и для производства зеленого водорода из биогаза или аммиака в рамках «более устойчивого будущего».

Технология получения водорода из природного газа называется паровым риформингом. Природный газ состоит в основном из метана, и когда он реагирует с паром, на каждую молекулу метана образуется четыре молекулы водорода. Для того чтобы эта реакция прошла успешно, пар необходимо подавать при высоких температурах.

Основная проблема, связанная с паровым риформингом, заключается в том, что этот процесс энергозатратен и проходит в несколько стадий. В качестве побочного продукта также используется CO2. С другой стороны, новая технология не требует внешнего тепла для запуска процесса парового риформинга. Ключом к новому процессу является то, что тепло вырабатывается автоматически, когда водород прокачивается через керамическую мембрану. В этом методе тепло генерируется именно там, где оно необходимо.

Самый маленький строительный блок, используемый в новом методе, — это электрохимический топливный элемент, состоящий из керамического цилиндра длиной шесть сантиметров. Увеличенный мембранный реактор, описанный в статье Science, имеет размеры 4х40 см. Он состоит из 36 таких ячеек, которые соединены в непрерывную электрическую цепь.

Материал, соединяющий ячейки, состоит из стеклокерамики, которая, как следует из названия, представляет собой композит стекла и керамических материалов, таких как фарфор. Затем этот материал смешивают с электропроводящим металлическим порошком.

По данным CoorsTek Membrane Sciences, разработка этого материала сыграла ключевую роль в обеспечении возможности масштабирования процесса. Мембрану реактора затем помещают в стальную трубу, в которой газы находятся под высоким давлением.

Секрет новой технологии заключается в материале, называемом протонпроводящей керамикой, из которого состоит мембрана, удаляющая водород из газовой смеси.

При встрече с метаном (CH4) молекулы водорода расщепляются, и мембрана расщепляет отдельные атомы на составляющие их протоны и электроны. Положительно заряженные протоны проникают через мембрану, а электроны захватываются электродами и транспортируются вокруг мембраны по внешней электрической цепи. Когда протоны и электроны воссоединяются на другой стороне мембраны, продуктом является чистый сжатый водород.