氢化镁水解制氢实用化的关键技术研究

High performance hydrogen generation technologies are of critical importance for the application of hydrogen fuel cells. The hydrolysis reaction of magnesium hydride (MgH2) provides very high hydrogen storage density, which is ideal for onsite hydrogen generation. However, this technology remains far from practical application due to the poor hydrolysis kinetics of MgH2, large excessive water in the real reaction system and the difficulty in controlling the hydrogen generation rate. This project will address the above challenges in terms of the proper material design, reaction process control and system integration. The key innovations are: 1) Designing a composite material containing MgH2 nanoparticles, MgCl2 and water absorbing porous polymer for the hydrolysis reaction. MgCl2 is used to catalyze the hydrolysis kinetics of MgH2 while the porous polymer is used to improve the contact of MgH2 particles and water to minimize the excessive water. 2) Controlling hydrogen generation via water addition, i.e. by adding water into MgH2 at a fixed rate and controlling the hydrogen generation rate by tuning the water addition rate. The approach, together with proper design of the reactor, is able to significantly improve the stability and controllability of the hydrogen generation process. This project will achieve attainable gravimetric hydrogen storage density over 5% for the MgH2 hydrolysis system, making it a highly competitive onsite hydrogen generation technology. The MgH2 based materials for hydrogen generation will become a new value added Mg product, which will effectively promote the sustainable utilization of the magnesium resources of the salt lake area.

高性能制氢技术是氢燃料电池应用的关键技术。氢化镁(MgH2)的水解反应具有很高的储氢密度，是非常理想的制氢技术，但由于MgH2水解动力学性能差、反应体系实际耗水量大、产氢稳定性和可控性差等问题，尚难以实际应用。本项目从材料设计、反应控制和装置集成等方面突破上述技术瓶颈，其关键创新点是：1) 设计了MgH2纳米颗粒/MgCl2/多孔高分子复合材料体系，利用MgCl2的催化作用提高MgH2的水解动力学性能，利用多孔高分子的吸水性能提高MgH2与水接触均匀性，减少额外的耗水量；2) 提出了“以水控氢”的制氢反应方案，通过向氢化物中加水的速率控制产氢速率，极大改善了产氢的稳定性和可控性。项目的实施将使MgH2水解反应体系实际质量储氢密度超过5%，成为极具竞争力的实用化高性能制氢技术。MgH2水解制氢材料将成为极具特色的高附加值Mg产品，对盐湖地区镁资源的高效利用具有非常积极的促进作用。

高性能制氢技术是氢燃料电池应用的关键技术。氢化镁(MgH2)的水解反应具有很高的储氢密度，是非常理想的制氢技术，但由于MgH2水解动力学性能差、反应体系实际耗水量大、产氢稳定性和可控性差等问题，尚难以实际应用。本项目从材料设计、反应控制和装置集成等方面开展研究，实现MgH2水解制氢的实用化，取得了以下主要成果：(1) 在材料设计改性方面，添加三聚氰胺海绵改善了实际反应过程中的水分布，降低了实际耗水量。改性的MgH2材料在实际反应体系中可以达到95%以上的水解转化率，包含反应用水的质量储氢密度超过5.5%。(2) 在反应控制方面，采用以水控氢的策略，通过精确控制加水速率和模式，使氢气平稳可控生成，整个系统无高压氢气。水解制氢速率在0.1-5.0 L/min之间可调，满足10 W-500 W的燃料电池需求。(3) 在系统集成方面，利用一体化可替换的反应器设计，提高了系统集成度和使用便捷性；采用燃料电池——锂电池联合供电的方式，实现对外界负载变化的快速响应和氢能高效利用，研制出50 W水解制氢燃料电池电源样机。项目申请和授权专利9项，发表论文7篇，培养博士生2人。.本项目研发的MgH2水解制氢技术具有有效储能密度高、安全性好、使用方便等显著特点，具备很强的应用前景。特别适用于单次工作耗电量在kWh量级、相应的H2总需求量在0.1 kg量级的中小型燃料电池应用，在氢燃料电池便携式电源、无人机、UUV、机器人等军民两用领域具有广阔的应用前景。柴达木盆地盐湖地区有大量优质的Mg资源，为Mg制品的生产提供了极为有利的资源和成本优势，本项目的研究成果有效促进了Mg资源的高附加值利用。