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我所研发出高性能新构型钯复合膜并将其应用于氨分解膜反应器

  近日,我所碳资源小分子与氢能利用创新特区研究组(19T3组)李慧研究员和复合氢化物材料化学研究组(1901组)陈萍研究员、柳林副研究员团队合作,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。

  用于氢气分离的金属钯膜分离具有小型、静音、紧凑的优点,属于燃料电池氢源关键技术,可与液态阳光燃料(如甲醇重整或氨分解等)相结合,实现氢气的“现产现用”。液态燃料制氢耦合钯膜纯化技术可以解决氢气的储运和安全难题,在通讯基站电源、液态阳光加氢站现场制氢、氢能重卡以及无人机等领域有广泛的应用前景。与陶瓷钯复合膜相比,不锈钢钯复合膜具有机械强度大、简单密封等优点,可满足小型移动应用领域的需求。

  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,针对钯复合膜产业化应用中的关键问题,该研究团队提出缺陷原位修复新路线,开发多项钯复合膜制备新技术,并系统研究合成气成分对钯膜透氢性能的影响,受邀撰写了2篇综述(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)。

  相关成果以全文形式发表于《化学工程杂志》(Chem. Eng. J.)。该工作得到中科院百人计划(结题优秀)、国家自然科学基金、科技部重点领域创新团队和中科院卢嘉锡国际团队项目的支持。(文/图 李慧、柳林)

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