金属磷化物催化氨硼烷分解制氢气

中国科学院理化技术研究所   金属有机光化学实验室

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项目简介

氨硼烷材料具有良好的稳定性,熔点为113 oC,易于大规模储存与运输,相比于其他常见固态储氢材料,氨硼烷具有最大的储氢容量(19.6 wt%),理论上的能量密度高达6500 wh/kg,通常整套燃料电池系统的能量密度为100~1000 wh/kg。因此以氨硼烷为固态储氢材料,通过氨硼烷分解制氢和动力系统的有效串联,可以预期燃料电池系统的高能量密度指标。氨硼烷作为储氢材料在安全性以及能量密度方面具有先天性优势,是航天器燃料电池系统的理想储氢材料。但是为了实现氨硼烷的最终应用,氨硼烷的分解放氢技术才是氨硼烷成为理想储氢材料的核心关键。没有掌握氨硼烷的分解放氢技术,其安全性以及高能量密度特性也就无从谈起。现阶段,在实验室中,我们以金属磷化物为催化剂,通过金属磷化物对氨硼烷的催化分解作用,实现了氢气的分解与释放,我们可以实现氨硼烷的放氢速率在1~1000mg/min范围内可调,理论上的输出功率在2~2000 W范围内可调。随着与具体燃料电池系统的对接,可以实现更大范围的参数可调。

应用领域

近年来,随着航天器的有效载荷日益增加,工作寿命不断延长,对电源系统的能量密度、安全可靠性等指标也日益提高。燃料电池这种绿色、轻质、高效的电源系统一直是航天器的首选,并且历经五十年的发展与创新。航天用燃料电池通常是碱性燃料电池或质子交换膜燃料电池两种类型,其燃料均为氢气,氧化剂均为氧气,燃料电池的储氢量决定了航天器的续航力。但由于氢燃料分子量小,易于扩散及泄露,因此无论是采用高压气态储氢还是液态储氢,其大量储存与运输均具有较高的危险系数,因此限制了燃料电池系统的能量密度以及航天器的续航能力。氨硼烷(NH3·BH3)是一类固态粉末储氢化合物,相比于气态或液态储氢方式,其安全性具有显著优势,可以大量储存与运输。除此之外,在常见固态储氢材料中,氨硼烷的理论储氢容量最大,可以保证燃料电池系统的能量密度需求。因此以氨硼烷为固态储氢材料和燃料电池系统的有效串联,通过增加氨硼烷的携带量完全可以打破现有商用燃料电池系统的能量密度上限,可以在最大程度上满足航天器对电源系统的能量密度需求,提高航天器的续航能力。

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