科研人员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

科研人员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，中国科学院大连化学物理研究所碳资源小分子与氢能利用创新区课题组研究员李辉、复合氢化物材料化学课题组研究员陈平、刘林副研究员合作开发了高性能指型和多孔结构不锈钢钯复合膜，可满足燃料电池氢源快速启动要求； 不锈钢钯复合膜用于氨分解膜反应器制氢时，氨完全分解转化温度显着降低。

用于氢气分离的金属钯膜分离具有小型、静音、紧凑等优点。 它是燃料电池氢源的关键技术。 它可以与液态阳光燃料（如甲醇重整或氨分解等）结合，实现“现成制氢”。 液体燃料制氢结合钯膜纯化技术，可以解决氢气的储存、运输和安全问题。在通信基站供电、液体阳光加氢现场制氢等领域具有广阔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高、密封简单等优点，可以满足小型移动应用的需求。

针对开发高性能不锈钢钯复合膜的问题，研究团队首先提出了具有间隙结构的指形不锈钢钯复合膜的设计，可以保证金属钯的自由膨胀和收缩快速升温和冷却过程中，避免不锈钢底座与金属钯接触。 膜接触会导致膜结构损坏。 全新配置的不锈钢钯复合膜可实现2000小时长期稳定运行，并在模拟燃料电池使用工况下实现多次快速升降温循环，满足燃料电池氢源快速响应的要求。 此外，孔隙结构显着降低了多孔载体的渗透阻力，氢渗透率达到2.1E-6 mol/(m2*s*Pa)，H2/N2选择性达到16000。 高性能指型不锈钢钯复合膜与高效氨分解催化剂Ru/MgO组合形成膜反应器，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99.8%），并实现了200小时的连续稳定运行，表明该膜反应器具有一定的车载应用潜力。

此前，研究团队针对钯复合膜工业应用中的关键问题，提出了缺陷原位修复新路线，开发了多项钯复合膜制备新技术，并系统研究了其影响。合成气组分对钯膜氢渗透性的影响。 受邀撰写综述2篇（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 14069; Chem. Eng. Sci., 2015, 127, 401）。 2019年，研究团队在张家港工业研究院牵头建设了大型（MW级）不锈钢钯复合膜生产线。 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和钯膜纯化。 氢氧燃料电池10kW系统集成试验，液体阳光加氢站制氢技术示范（20kg/d）。

相关成果全文发表在《化学工程杂志》（Chem. Eng. J.）上。 该工作得到了中科院百人计划（优秀项目成果）、国家自然科学基金委、科技部重点领域创新团队、中科院卢嘉熙国际团队项目的支持中国科学院。

(a)指状、空隙结构钯复合膜与氨分解膜反应器示意图； (b) 氨分解钯膜反应器673 K 200 h长期稳定性实验