鈀擴散氫氣發生器提純方法原理及優缺點介紹

簡介

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

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。有多家氫氣發生器制造商生產高品質儀器，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。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？為何發生器如此昂貴？

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

用于氫氣發生的質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，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。質子傳遞通過跨膜質子傳遞完成，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. 質子交換膜功能原理圖

鈀電解器/提純綜合系統

在鈀電解器、氫氣分離/提純系統中，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（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，產生超高純度氫氣。

圖 2. 使用電解和提純綜合系統的氫氣發生器原理圖

該系統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必須定期更換，這一過程意味著發生器至少需要 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 等雜質無法穿過并留在薄膜內側。稍后可將這些雜質排至空氣中。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變化，由此產生的機械壓力會易使鈀電池發生故障。

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，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換，使系統能夠連續產生經過提純的氫氣，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生器原理圖

可與 PEM 同時使用的 PSA 另一可選干燥系統為硅膠干燥系統（參見圖 5.）。該系統只將 PEM 產生的氫氣穿過硅膠柱去除水分。該系統價格低于 PSA 和鈀干燥系統，但所產生的高純度氫氣含有更多水分和氧氣。該系統維護費用相對較低，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生器原理圖。

優缺點

研究表明鈀提純系統能夠產生最干燥的氫氣1，但使用該系統亦存在諸多優缺點。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更具優勢。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（質量 6.0 與 7.0），但 PSA 系統無需停機程序并且系統可在 2 至 3 小時內達到較高的純度。

上述 4 種系統都可以產生高純度氫氣，消除工作環境中存放氫氣瓶的需要。發生器的成本通常會在所生產氣體質量以及生產氣體所采用的技術上體現出來。您對發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。