氫氣發(fā)生器中會(huì)采用多種凈化技術(shù)來提高氫氣的純度，以滿足設(shè)備的用氣要求，例如，GC/MS應(yīng)用中，需要高純氫氣作為載氣；CVD應(yīng)用中，需要高純氫氣作反應(yīng)氣等。

一般發(fā)生器都是通過電解水生成氫氣，并結(jié)合各種凈化技術(shù)來，以產(chǎn)生高純度的氫氣。

接下來，我們一起來看看氣體發(fā)生器中氫氣的凈化都會(huì)用到哪些技術(shù)。

1.     PEM電解水/硅膠凈化技術(shù)

硅膠柱是一種常見的干燥凈化方法，硅膠柱內(nèi)填充作為干燥劑的硅膠珠，此方法簡(jiǎn)單而普遍被采用。

經(jīng)PEM技術(shù)產(chǎn)生的氫氣流經(jīng)不銹鋼外殼的硅膠柱以去除水分，以生產(chǎn)高純度氫氣，滿足應(yīng)用的純度要求。

圖1 PEM電解水生產(chǎn)氫氣/硅膠凈化流程

特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

·             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(jù)使用情況定期更換硅膠柱,對(duì)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(qū)動(dòng)，使氫氣在鈀膜中擴(kuò)散的凈化裝置。一般是由鈀和銀的的材料復(fù)合組成，當(dāng)加熱到300oC以上時(shí)，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(cè)，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(chǎn)氫氣/鈀膜凈化流程

特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

·             非常純凈的氫氣，幾乎不含水分或氧氣。純度可達(dá)到99.99999%以上。

·             無需日常維護(hù)

·             鈀凈化器的正常預(yù)期壽命約為5年，具體取決于其用途和使用情況

問題

·             意外斷電可能會(huì)對(duì)鈀銀復(fù)合凈化器造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞

·             鈀銀合金可能會(huì)因吸收了氫氣而體積增大，并變形或變脆

·             若內(nèi)部有破裂，則無法修復(fù)。

·             為確保更長(zhǎng)的使用壽命，氫氣存在時(shí)，鈀膜絕不可降溫。即使短時(shí)間內(nèi)超出或低于最佳溫度范圍，鈀膜的耐用性也會(huì)受到影響

·             氫氣通過擴(kuò)散器的凈化后，留在未經(jīng)凈化一側(cè)的氣體（仍含有氧氣和水分等雜質(zhì)）必須定期從中清除，以保證足夠數(shù)量的氫分子可通過鈀膜轉(zhuǎn)移，從而保持工作效率。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)對(duì)輸出壓力/流量產(chǎn)生脈沖影響。

·             凈化反應(yīng)需要在非常高的溫度下進(jìn)行，可能會(huì)有安全問題，因?yàn)樵诖诉^程中的任何火源都是一個(gè)巨大的危險(xiǎn)。用于驅(qū)動(dòng)加熱器芯達(dá)到高溫所需的電流很大，如果出現(xiàn)任何問題，可能會(huì)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(shè)備，以消除停機(jī)時(shí)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(tǒng)

使用金屬鈀作為陽極以電解產(chǎn)生氫氣，但由于水不能有效傳導(dǎo)電流，因此需要添加可溶性的強(qiáng)電解質(zhì)，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(chǎn)生超高純度的氫氣。

圖3 組合式鈀電解池/凈化流程

特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

非常純凈的氫氣，幾乎不含水分或氧氣

問題

·             •電解質(zhì)溶液必須每12個(gè)月更換一次。

·             電解液NaOH（氫氧化鈉）是一種腐蝕性物質(zhì)，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(shí)的冷卻和4小時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間。

·             含硫化合物和不飽和烴等雜質(zhì)會(huì)使?jié)B透性變差。

·             氫氧化鈉有腐蝕性，長(zhǎng)久使用會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞

·             使用不當(dāng)?shù)碾娊庖嚎赡軙?huì)損壞電解池的電化學(xué)組件

·             存在電解液泄漏并可能導(dǎo)致操作人員皮膚燒傷的危險(xiǎn)

4.     PEM電解水生產(chǎn)氫氣/PSA凈化技術(shù)

PSA技術(shù)中有兩個(gè)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(gè)吸附塔交替運(yùn)行。

當(dāng)氫氣通過一個(gè)吸附塔進(jìn)行凈化時(shí)，少量干燥氫氣會(huì)被用于另一個(gè)吸附塔以反吹以使吸附塔再生。即當(dāng)吸附飽和時(shí)，吸附材料會(huì)再生，為下一次吸附做準(zhǔn)備。

這種可再生的吸附材料，可反復(fù)使用，因此無需定期更換。產(chǎn)生的干燥氫氣的水分含量小于1ppm。

圖4. PEM電解水生產(chǎn)氫氣/PSA凈化流程

特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

·             耐用、穩(wěn)定，且可再生

·             無需高溫或高電流。

·             可持續(xù)生產(chǎn)氫氣，無壓力波動(dòng)或脈沖效應(yīng)

·             •維護(hù)簡(jiǎn)單，僅限更換去離子柱，無需更換干燥劑或接觸腐蝕性溶液

·             啟動(dòng)和關(guān)閉程序簡(jiǎn)短方便

·             操作簡(jiǎn)單可靠

·             凈化技術(shù)能耗低，因此可降低運(yùn)營(yíng)成本

·             行業(yè)研究表明，經(jīng)PSA技術(shù)凈化的氫氣*可滿足GC/MS載氣的要求。

問題

·             用于再生分子篩的氫氣會(huì)被排放到大氣中。當(dāng)然，目前市場(chǎng)上已有很多方式可以通過催化劑將排放的氫氣處理掉，以消除對(duì)環(huán)境的影響。