高純度氫氣發(fā)生器

高純度氫氣發(fā)生器技術(shù)參數(shù)：

高純度氫氣發(fā)生器鈀擴(kuò)散膜
鈀擴(kuò)散膜通過(guò)壓力驅(qū)動(dòng) H+ 離子穿過(guò)鈀薄膜。鈀/銀合金薄膜可在溫度超過(guò) 300 可在溫時(shí)選擇性擴(kuò)散使氫離子穿過(guò)薄膜，同時(shí)使 H2O、CO2 或 CO 等雜質(zhì)無(wú)法穿過(guò)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(kuò)散器款式多樣，包括管陣列、螺旋管或薄膜箔。氫離子穿過(guò)薄膜后，會(huì)形成可加壓的雙原子氫分子并傳輸至分析儀器（參見(jiàn)圖 3.）。
但是，盡管能夠提供高純度氫氣，鈀電解槽壽命相對(duì)較短（3 至 5 年），供水或斷電期間薄膜中存在溶解氫氣所導(dǎo)致脆化會(huì)形成流量或雜質(zhì)變化，由此產(chǎn)生的機(jī)械壓力會(huì)易使鈀電池發(fā)生故障。
要提純并干燥氫氣，變壓吸附利用改變穿過(guò)兩個(gè)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(jiàn)圖 4.），允許較小的氫分子通過(guò)，同時(shí)保留較大的水分子。氫氣在通過(guò) A 柱時(shí)提純，少量干燥氣體向后排出通過(guò) B 柱借助吸附材料凈化保留的水分。A 柱達(dá)到佳吸附時(shí)，過(guò)程反轉(zhuǎn)，此時(shí) B 柱接替 A 柱進(jìn)行氫氣提純，A 柱進(jìn)行再生。兩個(gè)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(guò)提純的氫氣，其壓力波動(dòng)和脈動(dòng)效應(yīng)可以忽略。每個(gè)周期完成后，系統(tǒng)會(huì)再生，因此無(wú)需更換材料。
可與 PEM 同時(shí)使用的 PSA 另一可選干燥系統(tǒng)為硅膠干燥系統(tǒng)（參見(jiàn)圖 5.）。該系統(tǒng)只將 PEM 產(chǎn)生的氫氣穿過(guò)硅膠柱去除水分。該系統(tǒng) 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(hù)費(fèi)用相對(duì)較低，只需定期按需更換消電離器盒和干燥柱即可。
優(yōu)缺點(diǎn)
研究表明鈀提純系統(tǒng)能夠產(chǎn)生干燥的氫氣1，但使用該系統(tǒng)亦存在諸多優(yōu)缺點(diǎn)。利用對(duì) H+ 的選擇透過(guò)性，低溫條件下薄膜中存在 H2 時(shí)發(fā)生斷電易使鈀脆化。鈀電解槽在高溫條件下工作，因此進(jìn)行復(fù)雜的啟動(dòng)和關(guān)機(jī)程序以避免脆化并終對(duì)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(duì)較短。
另一方面 PSA 在魯棒性和較低的維護(hù)需求方面比鈀系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。PSA 無(wú)需在高溫和高電解電流條件下工作，并且維護(hù)成本較低。盡管 PEM/PSA 能夠達(dá)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(wú)需停機(jī)程序并且系統(tǒng)可在 2 至 3 小時(shí)內(nèi)達(dá)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(huì)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(lái)。您對(duì)發(fā)生器的選擇通常取決于氫氣的應(yīng)用以及該應(yīng)用對(duì)氣體純度的要求

氫氣在實(shí)驗(yàn)室中用途廣泛，常用作GC的載氣或燃燒氣。相較于高壓氣瓶，氫氣發(fā)生器更加安全和經(jīng)濟(jì)，但如何才能選擇到合適的氫氣發(fā)生器呢？
在本文中，我們將重點(diǎn)介紹需要考慮的因素。如果想采購(gòu)一臺(tái)氫氣發(fā)生器提供載氣，需要確認(rèn)您的方法是否可以使用氫氣。
1.純度
純度是一個(gè)重要的考量因素。如果您要用氫氣作為載氣，很可能需要一個(gè)高純的氫氣發(fā)生器。但如果是氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）需要?dú)錃庾鳛槿紵龤?，則并不需要純度高的氫氣。去離子水經(jīng)質(zhì)子交換膜技術(shù)電解產(chǎn)生氫氣，再經(jīng)干燥劑過(guò)濾干燥，專為檢測(cè)器提供穩(wěn)定可靠的氫氣。去離子水經(jīng)質(zhì)子交換膜技術(shù)電解產(chǎn)生氫氣，再經(jīng)PSA干燥器過(guò)濾干燥，其產(chǎn)氣純度高達(dá)99.9999%。
2.流量
若使用氫氣作載氣，另一個(gè)影響發(fā)生器型號(hào)選擇的因素是流量。為了確定發(fā)生器的流量，需要知道您的儀器總氫氣用量。一旦確定了每部分的大流量需求，就可以通過(guò)相加來(lái)確定總流量，然后將總和乘以1.25和1.5便得到一個(gè)大概的流量范圍。例如，如果您的儀器需要?dú)錃饪偭髁考悠饋?lái)達(dá)到100mL/min，其用氣量估算范圍在125mL/min到150mL/min，我們建議使用大輸出量為200mL/min的Peak氫氣發(fā)生器。
3.壓力
對(duì)于壓力，您會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于大多數(shù)GC，一般要求壓力低于100psi，但如果您的儀器離發(fā)生器較遠(yuǎn)，則需要重新考慮壓力要求，以避免管道較長(zhǎng)產(chǎn)生壓降。
4.維護(hù)
您可能想問(wèn)氫發(fā)生器的維護(hù)是否很繁瑣。與鋼瓶或杜瓦罐需要定期進(jìn)行安全檢查不同，氫氣發(fā)生器的維護(hù)簡(jiǎn)單方便，且可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。您所需要做的只是大約每周補(bǔ)充一次去離子水，以及每年進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，更換去離子柱以保護(hù)PEM電解池。
氫氣發(fā)生器現(xiàn)場(chǎng)制氫是更為安全、經(jīng)濟(jì)的氫氣解決方案。GC上采用氫氣發(fā)生器也越來(lái)越普及。隨著氦氣的短缺，以前使用氦氣作GC-MS載氣的實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在趨向于選擇氫氣發(fā)生器作為可行的替代品。氫氣發(fā)生器意味著實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)即產(chǎn)即用的方式獲取可靠的氫氣，不依賴第三方供氣，消除因氣體供應(yīng)不足而停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，從而有效降低整體成本。

人類社會(huì)的高速發(fā)展,使得對(duì)能源的需求量不斷增長(zhǎng),人類所使用的一次能源從化石燃料等能源向太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源轉(zhuǎn)化已是大勢(shì)所趨。然而,這些可再生能源通常缺少轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和恢復(fù)的途徑,而作為二次能源的氫能,恰恰為一次能源、化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)提供了高效的途徑。
隨著近年對(duì)氫能的研究,氫能的存儲(chǔ)和迅速釋放也成為了一個(gè)明星課題。作為化學(xué)儲(chǔ)氫的一種方式,(Na BH4)以其高氫儲(chǔ)量、氫氣釋放便捷和相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),受到了廣泛關(guān)注。本文以Na BH4水解為理論基礎(chǔ),制備了Na BH4水解所需催化劑,設(shè)計(jì)了氫氣發(fā)生及凈化系統(tǒng)并對(duì)其制氫的效率與純度進(jìn)行了考察,終將其應(yīng)用于集成的燃料電池系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了50-80W級(jí)燃料電池應(yīng)用性設(shè)計(jì)。
本文從NaBH4水解原理出發(fā),制備了用于Na BH4堿性溶液水解的催化劑,催化劑通過(guò)浸漬還原的方法制備,以非晶態(tài)Co-B-P為有效催化成分,以泡沫鎳為搭載基體。本文還對(duì)不同負(fù)載量的Co-B-P/泡沫鎳催化劑的反應(yīng)催化效率進(jìn)行了初步測(cè)試,在對(duì)15wt%Na BH4溶液催化時(shí),負(fù)載率43%的催化劑高催化速度可達(dá)每平方厘米240ml/min(反應(yīng)溫度75℃)。此后,本文對(duì)氫氣發(fā)生和凈化系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能考察。
結(jié)構(gòu)上,氫氣發(fā)生器為內(nèi)外腔可氣液分離式結(jié)構(gòu),凈化裝置為回流管-散熱片-回流管-吸收劑四級(jí)結(jié)構(gòu)。性能上,氫氣發(fā)生器可裝載上述負(fù)載率43%的催化劑66cm2,對(duì)流速不超過(guò)6ml/min的15wt%Na BH4溶液催化轉(zhuǎn)化率在85%以上,持續(xù)供氫速率1800ml/min,且反復(fù)使用40次負(fù)載率仍在35%以上;凈化裝置的散熱裝置可以對(duì)超過(guò)90%的含堿蒸氣冷凝,并依靠氫氣壓力周期性回流,吸收劑消耗量高5g/小時(shí),氫氣中堿性雜質(zhì)去除,純凈氫氣可以供燃料電池系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間使用。
后,本文對(duì)小型化燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)于控制進(jìn)行設(shè)計(jì),并將上述氫氣發(fā)生器應(yīng)用其中,進(jìn)行了綜合性能測(cè)試。燃料電池適工作壓強(qiáng)為50-70k Pa,長(zhǎng)時(shí)間按工作溫度不超過(guò)50℃。燃料電池系統(tǒng)凈重2.2kg,高輸出功率為82W,對(duì)應(yīng)輸出電壓12V,能量密度高可達(dá)353Wh/kg,并在9小時(shí)的連續(xù)工作中性能無(wú)明顯衰退,完成了50W以上的燃料電池系統(tǒng)集成,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。