氫氣發生器的氫氣凈化方法探討

瀏覽次數：1791　發布日期：2022-5-24　來源：畢克氣體

氫氣發生器中會采用多種凈化技術來提高氫氣的純度，以滿足設備的用氣要求，例如，GC/MS應用中，需要高純氫氣作為載氣；CVD應用中，需要高純氫氣作反應氣等。
一般發生器都是通過電解水生成氫氣，并結合各種凈化技術來，以產生高純度的氫氣。
接下來，我們一起來看看氣體發生器中氫氣的凈化都會用到哪些技術。

1.PEM電解水/硅膠凈化技術
硅膠柱是一種常見的干燥凈化方法，硅膠柱內填充作為干燥劑的硅膠珠，此方法簡單而普遍被采用。
經PEM技術產生的氫氣流經不銹鋼外殼的硅膠柱以去除水分，以生產高純度氫氣，滿足應用的純度要求。

圖1 PEM電解水生產氫氣/硅膠凈化流程

特點和優勢

方便更換
符合一般GC 的純度要求
與其他凈化方式相比，成本更低

問題

凈化效果不理想，一些水分或氧氣殘留通常仍然存在
需要根據使用情況定期更換硅膠柱,對于使用頻率較高的客戶，可能需要每周更換硅膠柱

2.PEM電解水/鈀膜凈化
這是一種通過壓力的驅動，使氫氣在鈀膜中擴散的凈化裝置。一般是由鈀和銀的的材料復合組成，當加熱到300ºC以上時，具有僅允許單原子氫通過其晶格的特性。與鈀膜表面接觸的氫氣分子分解成單原子氫并通過鈀膜。然后在另一側，單原子氫被重組成雙原子氫氣。
鈀凈化器可以有多種形式，包括管狀排列、卷曲螺旋或箔膜形式。

圖2 PEM電解水生產氫氣/鈀膜凈化流程

特點和優勢

非常純凈的氫氣，幾乎不含水分或氧氣。純度可達到99.99999%以上。
無需日常維護
鈀凈化器的正常預期壽命約為5年，具體取決于其用途和使用情況

(參考: http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html)
問題

意外斷電可能會對鈀銀復合凈化器造成不可逆轉的損壞
鈀銀合金可能會因吸收了氫氣而體積增大，并變形或變脆
若內部有破裂，則無法修復。
為確保更長的使用壽命，氫氣存在時，鈀膜絕不可降溫。即使短時間內超出或低于最佳溫度范圍，鈀膜的耐用性也會受到影響
氫氣通過擴散器的凈化后，留在未經凈化一側的氣體（仍含有氧氣和水分等雜質）必須定期從中清除，以保證足夠數量的氫分子可通過鈀膜轉移，從而保持工作效率。這是一個復雜的過程，若系統設計不當，可能會對輸出壓力/流量產生脈沖影響。
凈化反應需要在非常高的溫度下進行，可能會有安全問題，因為在此過程中的任何火源都是一個巨大的危險。用于驅動加熱器芯達到高溫所需的電流很大，如果出現任何問題，可能會造成明顯的電弧。
每隔5年需要更換凈化器中的鈀膜
建議使用備用供電設備，以消除停機時間
需要消耗更多的電量以加熱到工作溫度，即更大的碳排放

3.組合式鈀電解池/凈化系統
使用金屬鈀作為陽極以電解產生氫氣，但由于水不能有效傳導電流，因此需要添加可溶性的強電解質，通常為20%的氫氧化鈉（NaOH）水溶液。另有一束鈀管作為陰極，僅允許氫及其同位素通過，以此產生超高純度的氫氣。

圖3 組合式鈀電解池/凈化流程

特點和優勢
非常純凈的氫氣，幾乎不含水分或氧氣
問題

•電解質溶液必須每12個月更換一次。
電解液NaOH（氫氧化鈉）是一種腐蝕性物質，須小心處理。
所有之前的電解液必須事先排空，更換過程至少需要8小時的冷卻和4小時的啟動時間。
含硫化合物和不飽和烴等雜質會使滲透性變差。
氫氧化鈉有腐蝕性，長久使用會對設備造成損壞
使用不當的電解液可能會損壞電解池的電化學組件
存在電解液泄漏并可能導致操作人員皮膚燒傷的危險

4.PEM電解水生產氫氣/PSA凈化技術
PSA技術中有兩個吸附塔，其中填充了一種小球狀的吸附材料，這種吸附材料起著分子篩的作用，兩個吸附塔交替運行。
當氫氣通過一個吸附塔進行凈化時，少量干燥氫氣會被用于另一個吸附塔以反吹以使吸附塔再生。即當吸附飽和時，吸附材料會再生，為下一次吸附做準備。
這種可再生的吸附材料，可反復使用，因此無需定期更換。產生的干燥氫氣的水分含量小于1ppm。