«Наука в Сибири» № 1-2 (2537-2538) 13 января 2006 г. МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВОДОРОДА ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ Из доклада д.ф.-м.н. В. Кузнецова (в соавторстве с ак. В. Накоряковым). Водород, как известно, является идеальным экологически чистым энергоносителем и рассматривается сейчас как основа водородной энергетики будущего. Водород может использоваться в топливных элементах — электрохимических генераторах для прямого преобразования химической энергии в электрическую. Поэтому роль водорода в общем энергетическом балансе будет неуклонно возрастать по мере истощения традиционных источников энергии. Наравне с разработкой энергоисточников, потребляющих водород, важной является разработка технологий получения водорода, в особенности для автономных энергетических устройств. Чистый водород мало распространен в природе. Но его можно в достаточном количестве получить, используя различные технологии: из биомассы путем каталитического реформинга биогаза; из воды на атомных станциях; из природных источников — нефти, газа, угля с использованием каталитических и других технологий. Докладчик рассказал о зарубежных образцах техники, работающих на водороде. Автономной электростанции на топливных элементах мощностью 250 киловатт достаточно для снабжения промышленного предприятия, школы или жилого квартала из 50-ти домов. Такие установки уже выпускаются мелкими сериями. В России тоже есть образцы подобных установок. Это топливные элементы, установленные на «Буране». А известная программа «Норильского никеля» как раз и направлена на развитие водородных технологий в масштабах России. Организована Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты», которая и занимается этими работами. Говоря о применении топливных элементов в электромобилях, В. Кузнецов отметил значительные их преимущества по сравнению с традиционными. Например, КПД таких машин достигает 50 % вместо существующих 20-30 % у лучших современных автомобилей. Один из базовых результатов — снижение выбросов СО2 на километр пути. Словом, новые технологии будут неизбежно внедряться в автономной электроэнергетике и автомобильной промышленности. Для них потребуются накопители и генераторы водорода. Существуют три пути, которые разрабатываются сейчас в мире для питания автономных энергоустройств. Путь первый — это использование газообразного водорода. Но тогда потребуются газовые баллоны с давлением до 1000 атмосфер, поскольку плотность водорода очень низка. Второй путь — использование металлогидридов, но это тоже неэффективный процесс. Наиболее целесообразно использовать топливные процессоры, которые преобразуют обычное сырье — природный газ, дизельное топливо, бензин, метанол — в водород непосредственно в месте его потребления. Конверсия водородсодержащего сырья в чистый водород — достаточно сложный многостадийный процесс. Принципиальным решением проблемы создания автономных источников водорода является использование топливных процессоров, основанных на микроканальной технологии. Такие устройства существуют сейчас в мире только в виде демонстрационных образцов, и разработка их энергоэффективных конструкций представляет значительный коммерческий интерес. Приятно отметить, что в Институте теплофизики не опоздали с работами в этом направлении. Затем докладчик представил разработки микрореакторов. Это достаточно новые устройства субмиллиметрового размера. Размеры канала, где происходят собственно реакции, составляют величину от нескольких десятков микрон до пятисот микрон и более. Благодаря этому реализуются экстремально высокие соотношения поверхность — объем (для таких реакторов — порядка от 10 до 50 тыс. единиц на метр). Значительным преимуществом таких устройств является их модульная конструкция. В. Кузнецов продемонстрировал некоторые схемы многоканальных реакторов, отечественных и зарубежных. На таких реакторах возможно получать продукты совершенно нового уникального качества. Цель программы, которая сейчас развивается в Институте теплофизики, — создание реактора-теплообменника для прямой конверсии метана и других углеводородов в синтез-газ, а также чистый водород с использованием рутениевых и палладиевых катализаторов. В этой работе теплофизики тесно сотрудничают с Институтом катализа. Уже отработаны технологии нанесения различного типа каталитических покрытий на поверхности реакторов. Это достаточно важное дело, поскольку конверторы должны работать в течение длительного времени. Учитывались и другие показатели надежности реакторов. И сами катализаторы должны быть эффективными. Критерий энергетической эффективности подобных устройств является определяющим. Именно c этим связаны основные трудности при их проектировании. Прежде чем приступать к проектированию, конструкцию представляют в математической модели. Докладчик продемонстрировал пример математического расчета. Почему микроканал имеет уникальные свойства? Чем меньше размер канала, тем выше коэффициенты тепломассопереноса. Но здесь уже оптимум определяется не в сфере физического и математического моделирования, а в конструкционном оформлении реакторов, поскольку катализатор в принципе нестабилен. Если произойдет расслоение катализатора, то возможно засорение (забивание) узкого микронного канала. Следующей задачей В. Кузнецов назвал формирование структур на поверхности пластин. Здесь используется широкий набор методов: традиционные методы микроэлектроники: химическое травление, литография, лазерная и плазменная обработка (в случае, если канал делается из кремния), механические способы — резание металла с помощью современных высокопроизводительных станков с числовым программным управлением, формовка-литье керамических структур. Все эти методы имеют свои диапазоны применимости. Наиболее приемлем механический способ обработки, поскольку он позволяет получить каналы строго определенной формы, максимально удобные для нанесения катализаторов. Институт заключил договор с Научно-исследовательским центром Карлсруэ (Германия) по исследованию процессов в микроканальных реакторах-теплообменниках. Есть возможность воспользоваться технологией диффузионной сварки микрореакторов, разработанной в этом центре. Далее В. Кузнецов рассказал о технологиях создания каталитических покрытий стенок микрореакторов, в том числе с использованием современных наноматериалов. Здесь наравне с известными методами, такими как осаждение, пропитка, ионный обмен, используются и новые методы, например, создание решеток платиновых наночастиц электронно-пучковой литографией. Были продемонстрированы образцы микроканальных пластин с нанесенным катализатором, изготовленные в Институте теплофизики, результаты испытаний микрореакторов для реакций конверсии метана. Созданные образцы микрореакторов в широком диапазоне рабочих параметров имеют высокое содержание водорода в продуктах конверсии. Таким образом, микроканальные реакторы являются новым быстро растущим полем высоких технологий. Уже сейчас сфера их применения охватывает различные области, такие как микрореакторные устройства для водородной энергетики (автотранспорт, мобильные электрогенераторы, бытовые электроприборы и др.). В этом ряду — осуществление высокоэнергетических каталитических процессов, целенаправленный органический синтез и выделение лекарственных веществ и химических соединений с уникальными свойствами, а также веществ специального назначения, использование микрореакторов в биохимических процессах. Есть все основания считать, что использование микрореакторов будет значительно расширяться в будущем, и работы сибирских ученых находятся в этой области на высоком уровне. стр. 10