[发明专利]一种制备高纯度氢的方法

说明书

一种制备高纯度氢的方法，以膜反应器进行分离，所述膜反应器中的膜由具有如下表达式所示结构和组成的材料制备：x wt％Ce_1‑yLn_yO_2‑y/2‑(100‑x)wt％(Lm_1‑zB_z)_1‑aMO₃；式中20≤x≤80，0.05≤y≤0.5，0＜z＜1，0≤a≤0.3；其中Lm和Ln分别独立地选自镧系元素和Y中的至少一种；B选自Ca、Ba、Sr、Pb、Bi中的至少一种；M选自Al、Cr、Mg、Mn、Ni、Fe、Ga和Ti中的至少一种。所述的膜反应器中的膜由同时具备萤石结构和钙钛矿结构的材料制备，通过在其萤石和钙钛矿结构中掺杂一些特定元素及控制各组成中元素的比例，由其制备的膜用于氢分离中，具有成本低，氢气分离性能高，膜稳定性好的特点。

技术领域

本发明属于膜技术分离领域，具体涉及一类利用双相透氧陶瓷材料进行分离制备高纯度氢的方法。

背景技术

随着全球经济的持续发展，其所依赖的传统化石燃料能源日益枯竭，石油和煤的燃烧所带来温室效应和酸雨等，使得人类迫切需要在有效地利用化石燃料的同时，及时开发清洁、廉价的新能源，以逐步取代现有的化石燃料，达到减小空气污染的问题。氢能因为其能量密度高、热转化效率高、对环境零污染被认为是一种理想的洁净能源载体。而且像电子、半导体、石化、冶金、燃料电池等行业都需要使用高纯氢气。但目前工业上90％的氢气是通过化石原料的水汽重整和水气变换反应制备而来,难免含少量CO、CO₂等杂质。

目前氢气的纯化方法有低温吸附法、变压吸附法、催化纯化法、金属氢化物分离法、膜分离法等。各种纯化方法都有着各自的优缺点与适用领域。膜分离法能耗低、可实现连续分离、易放大、生产效率高，受到广泛关注。其中，钯膜或钯合金膜在氢气纯化应用中效果最好且应用较多。但钯膜的低稳定性和Pd资源昂贵且储量有限(氢脆以及与含碳化合物形成PdC_0.15合金)限制了其广泛应用。

利用混合导体透氧膜反应器进行氢分离是目前纯化氢气的新方法。其原理是在混合导体透氧膜的一侧通入水蒸气，另一侧用低纯度的氢气作为吹扫气。水在高温下分解成氢气和氧离子，氧离子定向地迁移至低氧化学势侧的吹扫气侧，然后和吹扫气侧的低纯度的氢气反应，同时也加快了膜另一侧的水分解反应。这样在膜的水蒸气侧就可以得到氢气，且产生的氢气等于吹扫气侧消耗的等价的氢气，从而实现了氢分离。所使用的混合导体透氧陶瓷膜应该具有在还原气氛下的高稳定性和高透氧量。萤石型-钙钛矿型相结合的双相透氧陶瓷膜在还原气氛下的稳定性高，组成可灵活设计，在透氧膜反应器中实现氢分离方面有很大的应用前景。

发明内容

为解决现有技术中氢气的纯化方法存在的分离效率低，分离膜成本高，稳定性差的问题，本发明提供一种制备高纯度氢的方法，分离效果好，稳定性高，成本低。

本发明的技术目的通过以下技术方案实现：

本发明的技术目的是提供一种制备高纯度氢的方法，以膜反应器进行分离，所述膜反应器中的膜由具有如下表达式所示结构和组成的材料制备：x wt％Ce_1-yLn_yO_2-y/2-(100-x)wt％(Lm_1-zB_z)_1-aMO₃；式中20≤x≤80，0.05≤y≤0.5，0＜z＜1，0≤a≤0.3；其中Lm和Ln分别独立地选自镧系元素和Y中的至少一种；B选自Ca、Ba、Sr、Pb、Bi中的至少一种；M选自Al、Cr、Mg、Mn、Ni、Fe、Ga和Ti中的至少一种。

采用本发明的方法进行氢分离制备高纯度氢，所述的膜反应器中的膜由同时具备萤石结构和钙钛矿结构的材料制备，通过在其萤石和钙钛矿结构中掺杂一些特定元素及控制其组成中各元素的比例，由其制备的膜用于氢分离中，具有成本低，氢气分离性能高，膜稳定性好的特点，可以制备得到高纯度氢。