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研究人员开发新型质子陶瓷膜反应组 可同步实现高效制氢和碳收集

盖世汽车 Elisha 2022-08-03 13:28:23

盖世汽车讯 据外媒报道,CoorsTek膜科学公司(CoorsTek Membrane Sciences)、挪威科技工业研究院(SINTEF)和西班牙的瓦伦西亚理工大学(Universitat Politècnica de València)展示了一种由36个电芯组成的质子陶瓷反应组,通过新的互连方式实现了甲烷到加压氢的完全转化,回收率超过99%,同时留下高浓度的二氧化碳流。该团队还证明,该工艺可扩展至商用规模。

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(图片来源:coorstek)

质子陶瓷电化学反应器可以在800°C下电解泵送质子穿过该膜,从气体混合物中提取纯氢。然而,在提取过程中,温度梯度和熵效应导致效率下降。这种新型镍基玻璃陶瓷复合材料互连装置可用于设计更复杂的反应器通路。逆流气体可以平衡热流,从而保持稳定的操作条件,使氢回收率达到99%。

该研究在SINTEF位于奥斯陆(Oslo)的实验室和设施进行,与CoorsTek膜科学公司位于同一地点。CoorsTek膜科学公司的Harald Malerød-Fjeld表示:“目前使用方法的能效等级在70-75%之间,而这种新方法有望实现90%的效率,最终产生高纯度的压缩氢。该陶瓷膜反应器还能更有效地分离二氧化碳,使温室气体更易于运输和隔离。在制造实用氢燃料的道路上,这是重要的一步。该工艺的碳足迹也很低。”

众所周知,通过蒸汽重整技术,可使用天然气制氢。该技术存在的一个主要问题是,这个过程需要消耗能量,并且要分为若干阶段,还会产生二氧化碳副产物。相比较而言,新技术不需要通过外部热量来驱动蒸汽重整过程。新工艺的关键在于,当氢被泵送通过陶瓷膜时,会自动产生所需要的热量。

新方法中使用的最小构件是由6 cm长的陶瓷圆柱体组成的电化学燃料电芯。扩展后的膜反应器尺寸为4×40 cm,由36个这样的电芯连接起来,形成连续的电路。连接电芯的材料由微晶玻璃(玻璃和陶瓷材料的混合物)组成,然后将这种材料与导电金属粉末混合。据介绍,这种新开发的材料对于实现规模化工艺具有重要意义。该反应膜被置于钢管中,以保存高压气体。

在接触到甲烷时(CH4),该质子陶瓷膜将单个原子分解成构成质子和电子。带正电荷的质子穿过薄膜,而电子则被吸进电极,并通过外部电路在薄膜周围传输。当质子和电池在膜的另一端重新结合时,就产生了纯净的压缩氢。

目前该技术已顺利进入下一开发阶段,在沙特阿拉伯的达兰(Dhahran)建立了试点设施,其中安装的反应器是上述反应器的五倍大,而且已证明可有效运行。SINTEF正在继续与CoorsTek Membrane Sciences合作开发更大的膜反应器。Harald Malerød-Fjeld表示:“我们确信,这项技术可以进一步扩大。希望在接下来的两到三年内能够工业安装第一个商用制氢系统。”

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