作者
Dr.Sc Ed Connor

发布
29/06/2017

高纯度氢气生成技术不胜枚举,与其他技术相比钯扩散氢气发生器更具优势

高纯度氢气生成技术不胜枚举,与其他技术相比钯扩散氢气发生器更具优势。 

简介

随着气体消耗需求的增加,氢气发生器现已成为许多实验室必不可少的设备。发生器可在极短的时间内按需提供高纯度气体,其便利性优于气瓶,特别是在健康和安全方面更具优势,因为在实验室工作环境中保存高压氢气会使人们产生顾虑。

生成器所含氢气量通常少于半升,这与 50 升高压气瓶中 9,000 升气体相比几乎可以忽略不计。有多家氢气发生器制造商生产高品质仪器,可为各种应用提供超高纯度气体,包括纳米管研究、气相色谱分析以及半导体行业。许多人都知道氢气来自于水的电解,但实际操作真的如此简单?为何发生器如此昂贵?

尽管使用气体发生器生成高纯度氢气涉及许多高度保密的机密,但从水中产生氢气的只能利用几个基本机理。氢气发生器系统通常使用两相系统生产经过提纯的氢气。先从水中分离出氢气,然后对氢气进行提纯。许多氢气发生器使用质子交换膜 (PEM) 与钯扩散或变压吸附 (PSA) 干燥机等氢气提纯系统。

用于氢气发生的质子交换膜像反向操作燃料电池一样高效工作。水在 PEM 处电解,PEM 为促进 H+ 离子运动的固体聚合物电解质,而 O2- 离子会被固定并形成 O2 分子(参见图 1.)。氢离子由 PEM 晶格借助表面扩散、格罗图斯 (Grotthuss) 扩散和运载扩散1三种机理沿离子通道传递。质子传递通过跨膜质子传递完成,该薄膜能够渗透阳离子,但不能渗透阴离子或电子并且只能传递水合氢离子。2电解槽阴极收集的氢气需要进行提纯。提纯可通过多种方法完成。

图 1. 质子交换膜功能原理图

 

钯电解器/提纯综合系统

在钯电解器、氢气分离/提纯系统中,由管束组成的钯阳极和钯阴极(参见图 2.)用于电解包含可溶电解质(通常为 NaOH 或 KOH)的水。电解电流通过溶液时,氢离子扩散穿过钯管阴极,产生超高纯度氢气。

图 2. 使用电解和提纯综合系统的氢气发生器原理图

该系统提供超高纯度氢气和极少的水分与 O2 携带。但是电池中的电解质必须定期更换,这一过程意味着发生器至少需要 12 小时的停机时间(包括冷却和启动时间)。更换电解质时,所有溶液都需要更换。剩余含硫化合物和不饱和碳氢化合物会降低钯管对氢离子的渗透性,因此钯管也需要定期更换。

 

钯扩散膜

钯扩散膜通过压力驱动 H+ 离子穿过钯薄膜。钯/银合金薄膜可在温度超过 300 可在温时选择性扩散使氢离子穿过薄膜,同时使 H2O、CO2 或 CO 等杂质无法穿过并留在薄膜内侧。稍后可将这些杂质排至空气中。钯扩散器款式多样,包括管阵列、螺旋管或薄膜箔。氢离子穿过薄膜后,会形成可加压的双原子氢分子并传输至分析仪器(参见图 3.)。

图 3. 使用钯扩散薄膜进行氢气提纯的氢气发生器原理图

但是,尽管能够提供高纯度氢气,钯电解槽寿命相对较短(3 至 5 年),供水或断电期间薄膜中存在溶解氢气所导致脆化会形成流量或杂质变化,由此产生的机械压力会易使钯电池发生故障。

 

PEM/PSA

要提纯并干燥氢气,变压吸附利用改变穿过两个充满沸石吸附材料并联柱的氢气流量的原理工作,其中沸石吸附材料作为分子筛(参见图 4.),允许较小的氢分子通过,同时保留较大的水分子。氢气在通过 A 柱时提纯,少量干燥气体向后排出通过 B 柱借助吸附材料净化保留的水分。A 柱达到最佳吸附时,过程反转,此时 B 柱接替 A 柱进行氢气提纯,A 柱进行再生。两个柱在氢气提纯和再生之间相互转换,使系统能够连续产生经过提纯的氢气,其压力波动和脉动效应可以忽略。每个周期完成后,系统会完全再生,因此无需更换材料。

图 4. 使用变压吸附进行氢气提纯的氢气发生器原理图

可与 PEM 同时使用的 PSA 另一可选干燥系统为硅胶干燥系统(参见图 5.)。该系统只将 PEM 产生的氢气穿过硅胶柱去除水分。该系统价格低于 PSA 和钯干燥系统,但所产生的高纯度氢气含有更多水分和氧气。该系统维护费用相对较低,只需定期按需更换消电离器盒和干燥柱即可。

图 5. 使用硅胶柱进行氢气提纯的氢气发生器原理图。

 

优缺点

研究表明钯提纯系统能够产生最干燥的氢气1,但使用该系统亦存在诸多优缺点。利用对 H+ 的选择透过性,低温条件下薄膜中存在 H2 时发生断电易使钯脆化。钯电解槽在高温条件下工作,因此必须进行复杂的启动和关机程序以避免脆化并最终对电解槽产生损害。钯电解槽的更换成本较高,并且其寿命相对较短。

另一方面 PSA 在鲁棒性和较低的维护需求方面比钯系统更具优势。PSA 无需在高温和高电解电流条件下工作,并且维护成本较低。尽管 PEM/PSA 能够达到的纯度略低于钯系统(质量 6.0 与 7.0),但 PSA 系统无需停机程序并且系统可在 2 至 3 小时内达到较高的纯度。

上述 4 种系统都可以产生高纯度氢气,消除工作环境中存放氢气瓶的需要。发生器的成本通常会在所生产气体质量以及生产气体所采用的技术上体现出来。您对发生器的选择通常取决于氢气的应用以及该应用对气体纯度的要求。

 

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