我所研發出高性能新構型鈀復合膜并將其應用于氨分解膜反應器

  近日,我所碳資源小分子與氫能利用創新特區研究組(19T3組)李慧研究員和復合氫化物材料化學研究組(1901組)陳萍研究員、柳林副研究員團隊合作,開發了高性能指型和空隙結構不銹鋼鈀復合膜,可滿足燃料電池氫源快速啟動的要求;將該不銹鋼鈀復合膜用于氨分解膜反應器制氫,氨分解完全轉化溫度顯著降低。

  用于氫氣分離的金屬鈀膜分離具有小型、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“現產現用”。液態燃料制氫耦合鈀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。與陶瓷鈀復合膜相比,不銹鋼鈀復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。

  針對高性能不銹鋼鈀復合膜開發的難題,該研究團隊首次提出指型加空隙結構的不銹鋼鈀復合膜設計,可以保證在快速升降溫過程中金屬鈀膜的自由伸縮,并避免不銹鋼基底與金屬鈀膜接觸造成膜結構的破壞。該新構型不銹鋼鈀復合膜能實現連續2000 h的長期穩定運行,而且在模擬燃料電池使用條件下實現了多個快速升降溫循環,滿足燃料電池氫源快速響應的要求。另外,空隙結構顯著降低了多孔載體的滲透阻力,透氫速率達到2.1E-6 mol/(m2*s*Pa),H2/N2選擇性達到16000。將高性能指型不銹鋼鈀復合膜與高效氨分解催化劑Ru/MgO相結合,形成膜反應器,可將氨分解的完全分解溫度從文獻中的748 K以上降低到673 K(氨分解轉化率為99.8%),且實現200 h連續穩定運行,表明該膜反應器具備一定的車載應用潛力。

  此前,針對鈀復合膜產業化應用中的關鍵問題,該研究團隊提出缺陷原位修復新路線,開發多項鈀復合膜制備新技術,并系統研究合成氣成分對鈀膜透氫性能的影響,受邀撰寫了2篇綜述(J. Mater. Chem. A,2016,4,14069;Chem. Eng. Sci.,2015,127,401)。該研究團隊于2019年在張家港產研院率先建成規?;?MW級)不銹鋼鈀復合膜產線,成本僅為國外同類不銹鋼鈀復合膜的1/10,目前已實現甲醇重整、鈀膜純化與氫氧燃料電池的10 kw系統集成測試,以及液態陽光加氫站的產氫技術示范(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。(文/圖 李慧、柳林)

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