ИСТИНА

В ходе выполнения проекта будут проведены исследования по созданию: 1. образцов электрокатализаторов окисления водорода, толерантных к метану и другим примесям, содержащихся в газе выходящем из реактора каталитического пиролиза метана, для применения в электрохимическом блоке рекуперации газа на основе низкотемпературного топливного элемента; 2. процессов, ведущих к снижению отравления катализаторов окисления водорода оксидом углерода, метана (в том числе “ блидинг”); 3. образцов электрокатализаторов окисления водорода, толерантных к метану и другим примесям, содержащихся в газе, выходящем из реактора каталитического пиролиза метана, для применения в электрохимическом блоке рекуперации газа на основе среднетемпературного топливного элемента; 4. образцов неорганических каталитических мембран для разделения метано-водородной смеси; 5. математических моделей: - блока каталитического пиролиза; - блока электрохимической рекуперации; - блока мембранного разделения; 6. макета электрохимического блока рекуперации водородосодержащих газов на основе водородовоздушного топливного элемента мощностью 100 Вт. В ходе выполнения проекта будет предложен новый процесс электрохимической рекуперации отходящих газов установки синтеза углеродных нанотрубок.

1 Исследование влияния метана и оксида углерода в области концентраций, близких к составу отходящих газов каталитического реактора, на окисление водорода в среднетемпературных топливных элементах мощностью 5-10 Вт: - подбор состава катализаторов окисления водорода, толерантных к примесям метана и оксида углерода; - изучение процессов, ведущих к снижению отравления катализаторов окисления водорода оксидом углерода, метана (в том числе “блидинг”). 2 Исследование влияния температуры, давления газов, скорости потока, увлажнения на параметры окисления водорода в среднетемпературном топливном элементе мощностью 5-10 Вт. 3 Разработка математической модели среднетемпературного топливного элемента (блока рекуперации). 4 Разработка математической модели мембранного разделения метано-водородной смеси. 5 Выбор основных параметров топливного элемента (площадь мембранно-электродного блока, количество элементов в батарее). 6 Подбор коммерческих катализаторов и создание новых толерантных к каталитическим ядам катализаторов для использования в аноде топливного элемента. 7 Проведение экспериментальных исследований на блоке разделения метано-водородной смеси. 8 Экспериментальное определение основных технологических параметров электрохимического блока рекуперации мощностью 50 Вт. 9 Сравнительная оценка вариантов возможных решений создания энергоэффективной установки синтеза углеродных нанотрубок каталитическим пиролизом метана с получением водорода для использования в топливных элементах (с учетом типа топливного элемента: низко- или среднетемпературного).

1. Синтезированы новые катализаторы окисления водорода на основе сплавов палладия, толерантные к примеси СО в водородном топливе: PdAu/С, PdMo/С и PdRu/С. Экспериментальные данные свидетельствуют о более высокой толерантности к СО бинарных систем на основе палладия по сравнению с платиновым катализатором. 2. Синтезирован модифицированный кобальтом катализатор окисления водорода PtRu-Co/C, толерантный к примеси СО в водородном топливе. 3. Результаты испытания МЭБ низкотемпературного топливного элемента с анодными катализаторами Pt/C и PtRu/C показали, что примесь метана в водородном топливе (20%) практически не влияет на вольтамперные характеристики этих ТЭ. 4. Результаты испытания МЭБ низкотемпературного топливного элемента с анодным катализатором Pt/C показали, что примесь СО в водородном топливе на уровне 28 ppm снижает характеристики ТЭ почти втрое. Добавление 1% воздуха (блидинг) к водородному топливу, содержащему 28 ppm СО, несколько повышает вольтамперные характеристики топливного элемента, которые тем не менее остаются низкими. 5. Результаты испытания МЭБ низкотемпературного ТЭ с анодным катализатором PtRu/C показали, что примесь СО в водородном топливе на уровне 100 ppm снижает вольтамперные характеристики топливного элемента почти вдвое. Добавление 1% воздуха (блидинг) к водородному топливу, содержащему 98 ppm СО, повышает вольтамперные характеристики топливного элемента, которые оказываются только на 10-12% ниже характеристик, измеренных в отсутствие примеси СО. 6. Исследовано влияние температуры, давления газов, скорости потока, увлажнения на параметры окисления в низкотемпературном топливном элементе. 7. Разработана методика получения в CVD-реакторе с “холодными” стенками мембранно-каталитических материалов для разделения метано-водородной смеси. 8. На основе полученной математической модели кинетики синтеза углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза углеводородного сырья с учетом раскрытия сущности протекающих физико-химических явлений были определены кинетические параметры процесса, проверена адекватность математической модели, проведен поиск оптимальных режимов реактора каталитического пиролиза метана с целью увеличения выхода по водороду и углеродным нанотрубкам, проведена проверка оптимальных режимов работ в реакторе каталитического пиролиза метана. 9. Разработаны математические модели низкотемпературного и среднетемпературного топливного элемента. Модель учитывает влияние оксида углерода на процессы токообразования в топливном элементе. Математическая модель основана на решении основных уравнений гидродинамики, уравнений сохранении массы, энергии и тока. В модели учитывается влияние активной поверхности каталитического слоя, содержание платины в активном слое катализатора, его габаритных характеристик на значения тока и мощности, вырабатываемые топливным элементом. Результаты моделирования для низкотемпературного ТЭ соответствуют экспериментальным данным. 10. На основе проведенных исследований в качестве основы блока рекуперации отходящих топливных газов реактора синтеза углеродных нанотрубок из метана выбран низкотемпературный топливный элемент с протон-проводящей мембраной из сульфокатионитного полимера (Nafion или МФ4-СК) и пяти топливных элементов в батарее. Испытания батареи, состоящей из пяти топливных элементов рабочей площадью 48 см2 каждый, при подаче водородного топлива аналогичного по составу отходящим газам каталитического конвертера, в различных условиях (температура, относительная влажность, давление) позволили выбрать рабочие условия работы батареи топливных элементов. 11. При выбранных рабочих условиях: атмосферное давление, температура 70 оС, и при влажности 25%, достигнута величина электрической мощности батареи низкотемпературных топливных элементов 100Вт. 12. Проведено математическое моделирование разделения метан-водородной смеси H2/CH4 на основе методов молекулярной динамики для описания механизмов диффузии газов. 13. Разработаны алгоритмы математического описания моделирования массопереноса в поре мембраны методом молекулярной динамики. 14. Проведен вычислительный эксперимент на блоке разделения метано-водородной смеси.