鈀擴散氫氣發(fā)生器提純方法原理及優(yōu)缺點介紹

簡介

隨著氣體消耗需求的增加，氫氣發(fā)生器現(xiàn)已成為許多實驗室必不可少的設備。發(fā)生器可在極短的時間內(nèi)按需提供高純度氣體，其便利性優(yōu)于氣瓶，特別是在健康和安全方面更具優(yōu)勢，因為在實驗室工作環(huán)境中保存高壓氫氣會使人們產(chǎn)生顧慮。

生成器所含氫氣量通常少于半升，這與 50 升高壓氣瓶中 9,000 升氣體相比幾乎可以忽略不計。有多家氫氣發(fā)生器制造商生產(chǎn)高品質(zhì)儀器，可為各種應用提供超高純度氣體，包括納米管研究、氣相色譜分析以及半導體行業(yè)。許多人都知道氫氣來自于水的電解，但實際操作真的如此簡單？為何發(fā)生器如此昂貴？

盡管使用氣體發(fā)生器生成高純度氫氣涉及許多高度保密的機密，但從水中產(chǎn)生氫氣的只能利用幾個基本機理。氫氣發(fā)生器系統(tǒng)通常使用兩相系統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)過提純的氫氣。先從水中分離出氫氣，然后對氫氣進行提純。許多氫氣發(fā)生器使用質(zhì)子交換膜 (PEM) 與鈀擴散或變壓吸附 (PSA) 干燥機等氫氣提純系統(tǒng)。

用于氫氣發(fā)生的質(zhì)子交換膜像反向操作燃料電池一樣高效工作。水在 PEM 處電解，PEM 為促進 H+ 離子運動的固體聚合物電解質(zhì)，而 O2- 離子會被固定并形成 O2 分子（參見圖 1.）。氫離子由 PEM 晶格借助表面擴散、格羅圖斯 （Grotthuss） 擴散和運載擴散1三種機理沿離子通道傳遞。質(zhì)子傳遞通過跨膜質(zhì)子傳遞完成，該薄膜能夠滲透陽離子，但不能滲透陰離子或電子并且只能傳遞水合氫離子。2電解槽陰極收集的氫氣需要進行提純。提純可通過多種方法完成。

圖 1. 質(zhì)子交換膜功能原理圖

鈀電解器/提純綜合系統(tǒng)

在鈀電解器、氫氣分離/提純系統(tǒng)中，由管束組成的鈀陽極和鈀陰極（參見圖 2.）用于電解包含可溶電解質(zhì)（通常為 NaOH 或 KOH）的水。電解電流通過溶液時，氫離子擴散穿過鈀管陰極，產(chǎn)生超高純度氫氣。

圖 2. 使用電解和提純綜合系統(tǒng)的氫氣發(fā)生器原理圖

該系統(tǒng)提供超高純度氫氣和極少的水分與 O2 攜帶。但是電池中的電解質(zhì)必須定期更換，這一過程意味著發(fā)生器至少需要 12 小時的停機時間（包括冷卻和啟動時間）。更換電解質(zhì)時，所有溶液都需要更換。剩余含硫化合物和不飽和碳氫化合物會降低鈀管對氫離子的滲透性，因此鈀管也需要定期更換

鈀擴散膜

鈀擴散膜通過壓力驅(qū)動 H+ 離子穿過鈀薄膜。鈀/銀合金薄膜可在溫度超過 300 可在溫時選擇性擴散使氫離子穿過薄膜，同時使 H2O、CO2 或 CO 等雜質(zhì)無法穿過并留在薄膜內(nèi)側(cè)。稍后可將這些雜質(zhì)排至空氣中。鈀擴散器款式多樣，包括管陣列、螺旋管或薄膜箔。氫離子穿過薄膜后，會形成可加壓的雙原子氫分子并傳輸至分析儀器（參見圖 3.）。

圖 3. 使用鈀擴散薄膜進行氫氣提純的氫氣發(fā)生器原理圖

但是，盡管能夠提供高純度氫氣，鈀電解槽壽命相對較短（3 至 5 年），供水或斷電期間薄膜中存在溶解氫氣所導致脆化會形成流量或雜質(zhì)變化，由此產(chǎn)生的機械壓力會易使鈀電池發(fā)生故障。

PEM/PSA

要提純并干燥氫氣，變壓吸附利用改變穿過兩個充滿沸石吸附材料并聯(lián)柱的氫氣流量的原理工作，其中沸石吸附材料作為分子篩（參見圖 4.），允許較小的氫分子通過，同時保留較大的水分子。氫氣在通過 A 柱時提純，少量干燥氣體向后排出通過 B 柱借助吸附材料凈化保留的水分。A 柱達到最佳吸附時，過程反轉(zhuǎn)，此時 B 柱接替 A 柱進行氫氣提純，A 柱進行再生。兩個柱在氫氣提純和再生之間相互轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)能夠連續(xù)產(chǎn)生經(jīng)過提純的氫氣，其壓力波動和脈動效應可以忽略。每個周期完成后，系統(tǒng)會完全再生，因此無需更換材料。

圖 4. 使用變壓吸附進行氫氣提純的氫氣發(fā)生器原理圖

可與 PEM 同時使用的 PSA 另一可選干燥系統(tǒng)為硅膠干燥系統(tǒng)（參見圖 5.）。該系統(tǒng)只將 PEM 產(chǎn)生的氫氣穿過硅膠柱去除水分。該系統(tǒng)價格低于 PSA 和鈀干燥系統(tǒng)，但所產(chǎn)生的高純度氫氣含有更多水分和氧氣。該系統(tǒng)維護費用相對較低，只需定期按需更換消電離器盒和干燥柱即可。

圖 5. 使用硅膠柱進行氫氣提純的氫氣發(fā)生器原理圖。

優(yōu)缺點

研究表明鈀提純系統(tǒng)能夠產(chǎn)生最干燥的氫氣1，但使用該系統(tǒng)亦存在諸多優(yōu)缺點。利用對 H+ 的選擇透過性，低溫條件下薄膜中存在 H2 時發(fā)生斷電易使鈀脆化。鈀電解槽在高溫條件下工作，因此必須進行復雜的啟動和關機程序以避免脆化并最終對電解槽產(chǎn)生損害。鈀電解槽的更換成本較高，并且其壽命相對較短。

另一方面 PSA 在魯棒性和較低的維護需求方面比鈀系統(tǒng)更具優(yōu)勢。PSA 無需在高溫和高電解電流條件下工作，并且維護成本較低。盡管 PEM/PSA 能夠達到的純度略低于鈀系統(tǒng)（質(zhì)量 6.0 與 7.0），但 PSA 系統(tǒng)無需停機程序并且系統(tǒng)可在 2 至 3 小時內(nèi)達到較高的純度。

上述 4 種系統(tǒng)都可以產(chǎn)生高純度氫氣，消除工作環(huán)境中存放氫氣瓶的需要。發(fā)生器的成本通常會在所生產(chǎn)氣體質(zhì)量以及生產(chǎn)氣體所采用的技術(shù)上體現(xiàn)出來。您對發(fā)生器的選擇通常取決于氫氣的應用以及該應用對氣體純度的要求。