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大連化物所研發出高性能新構型钯複合膜並將其應用于氨分解膜反應器

2020-02-13 大連化學物理研究所
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  近日,中國科學院大連化學物理研究所碳资源小分子与氢能利用创新特区研究组研究员李慧和复合氢化物材料化学研究组研究员陈萍、副研究员柳林团队合作,开发了高性能指型和空隙结构不锈钢钯复合膜,可满足燃料电池氢源快速启动的要求;将该不锈钢钯复合膜用于氨分解膜反应器制氢,氨分解完全转化温度显著降低。

  用于氫氣分離的金屬钯膜分離具有小型、靜音、緊湊的優點,屬于燃料電池氫源關鍵技術,可與液態陽光燃料(如甲醇重整或氨分解等)相結合,實現氫氣的“現産現用”。液態燃料制氫耦合钯膜純化技術可以解決氫氣的儲運和安全難題,在通訊基站電源、液態陽光加氫站現場制氫、氫能重卡以及無人機等領域有廣泛的應用前景。與陶瓷钯複合膜相比,不鏽鋼钯複合膜具有機械強度大、簡單密封等優點,可滿足小型移動應用領域的需求。

  针对高性能不锈钢钯复合膜开发的难题,该研究团队首次提出指型加空隙结构的不锈钢钯复合膜设计,可以保证在快速升降温过程中金属钯膜的自由伸缩,并避免不锈钢基底与金属钯膜接触造成膜结构的破坏。该新构型不锈钢钯复合膜能实现连续2000 h的长期稳定运行,而且在模拟燃料电池使用条件下实现了多个快速升降温循环,满足燃料电池氢源快速响应的要求。另外,空隙结构显著降低了多孔载体的渗透阻力,透氢速率达到2.1E-6 mol/(m2*s*Pa),H2/N2选择性达到16000。将高性能指型不锈钢钯复合膜与高效氨分解催化剂Ru/MgO相结合,形成膜反应器,可将氨分解的完全分解温度从文献中的748 K以上降低到673 K(氨分解转化率为99.8%),且实现200 h连续稳定运行,表明该膜反应器具备一定的车载应用潜力。

  此前,針對钯複合膜産業化應用中的關鍵問題,該研究團隊提出缺陷原位修複新路線,開發多項钯複合膜制備新技術,並系統研究合成氣成分對钯膜透氫性能的影響,受邀撰寫了2篇綜述(J. Mater. Chem. A,2016,4,14069;Chem. Eng. Sci.,2015,127,401)。该研究团队于2019年在张家港产研院率先建成规模化(MW级)不锈钢钯复合膜产线,成本仅为国外同类不锈钢钯复合膜的1/10,目前已实现甲醇重整、钯膜纯化与氢氧燃料电池的10 kw系统集成测试,以及液态阳光加氢站的产氢技术示范(20 kg/d)。

  相關成果以全文形式發表于《化學工程雜志》(Chem. Eng. J.)。該工作得到中科院百人計劃(結題優秀)、國家自然科學基金、科技部重點領域創新團隊和中科院盧嘉錫國際團隊項目的支持。

(a)指型和空隙结构钯复合膜和氨分解膜反应器示意图;(b)氨分解钯膜反应器在673 K下200 h长期稳定性实验

打印 責任編輯:葉瑞優

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