[发明专利]制备高纯度氢气的系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢气的纯化技术，特别涉及在透氧膜反应器中，由低纯度氢气制高纯度 氢气的系统及方法。

技术背景

氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁 能源，是人类能源战略的发展方向。氢能的主要利用方式是燃料电池。以燃料电池为动力在 汽车和商业船舶上的应用研究已经成为世界各国未来车用能源的研发重点。目前比较普遍有 效的制氢方式是利用水气重整和水气变换反应制氢，但所制得气体中除含有H₂、CO₂、H₂O 等气体以外，同时还含有少量的CO，CO对燃料电池的阳极Pt电极来说是一种很强的毒物。 在较高的电流密度下，即使几个ppm浓度的CO就会使电池性能严重下降。介于CO对Pt电 极的毒化作用，用于燃料电池的氢气其CO含量要低于1ppm，这就对氢气的纯化提出了很 高的要求。此外，随着电子信息、LED照明和光伏发电产业的迅猛发展，对高纯度氢气的产 量和纯度提出了越来越高的要求。现在使用的氢气纯度已经由4N、5N，上升到6N及以上。

目前氢气的纯化方法有催化纯化法、聚合物薄膜扩散法、金属氢化物分离法、低温吸附、 低温分离法、变压吸附法、无机物薄膜扩散法等。各种纯化方法都有着各自的优缺点与适用 领域。但在制备6N及其以上纯度的氢气时，可用的方法仅有低温吸附、金属氢化物分离法 和无机物薄膜扩散法。其中，纯化效果最好且应用较多的是无机物薄膜扩散法中的钯膜或钯 合金膜扩散法。半导体和LED照明产业所需要的超纯氢气(8N)几乎全部是通过金属钯管纯化 生产的。但昂贵有限的Pd资源和钯膜的低稳定性(氢脆以及Pd与含碳化合物形成PdC_0.15合金)限制了其广泛应用，其制氢成本和制氢规模无法满足未来规模化应用的需求。

混合导体透氧膜材料是一类能够同时传导电子和氧离子的由氧化物组成的只渗透氧的致 密陶瓷膜，只要膜的两侧存在氧化学势梯度，膜中的氧离子就会定向地从高氧化学势侧迁移 至低氧化学势侧。在混合导体透氧膜的一侧通入水蒸气，水在高温下分解成氢气和氧离子， 另一侧用低纯度的氢作为吹扫气与渗透过来的氧离子反应，这样在膜的水蒸气侧就可以得到 氢气。在膜的水蒸气侧产生的氢等于吹扫气侧消耗的等价的氢，从而实现了氢分离。致密的 混合导体透氧膜只能够透过氧的特性使得通过该方法分离制备高纯度氢气成为可能。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种用于制备高纯度氢气的系统，包括：

膜反应器；

密封于膜反应器中的透氧膜；

分别装填于透氧膜两侧的催化剂模块I和催化剂模块II；

作为原料气的水蒸气，以及作为吹扫气的低纯度氢气；

用于向透氧膜一侧导入原料气的气体导入装置I，以及向透氧膜的相对侧导入吹扫气的气 体导入装置II；

其中，催化剂模块I为水分解催化剂，与气体导入装置I同侧设置；催化剂模块II为氧 化催化剂，与气体导入装置II同侧设置；

所述原料气是水蒸气；所述吹扫气是低纯度氢气。

本发明另一方面的目的在于提供一种制备高纯度氢气的方法，使用上述本发明的制备高 纯度氢气的系统，包括如下步骤：

①将两侧分别装填了催化剂模块I和催化剂模块II的透氧膜密封在膜反应器中；所述催 化剂模块I为水分解催化剂，催化剂模块II为氧化催化剂；

②由气体导入装置I向透氧膜的一侧通入原料气，同时，由气体导入装置II向透氧膜的 对侧通入吹扫气；所述原料气是水蒸气；所述吹扫气是低纯度氢气。

③原料气在催化剂模块I的作用下高温分解生成氧离子与氢气，其中氧离子经透氧膜到 达对侧与吹扫气反应；未能通过透氧膜的氢气即为目标产品。

上述制备高纯度氢气的方法的步骤③中，高温是400℃-1200℃。