關于氫氣生成技術的技術考量

為氣相色譜和氣相色譜/質譜應用提供載氣的氫氣發生器利用多項技術提供高純度氫氣。本文將探討各種氫氣提純方法。前 3 種方法結合使用 PEM（質子交換膜）和多種提純技術，第 4 種方法使用綜合鈀電解槽。

PEM/鈀擴散

鈀薄膜氫氣提純器利用壓力驅動跨鈀薄膜擴散原理工作。只有氫氣能夠擴散穿過鈀擴散器。鈀擴散器款式多樣，包括管、螺旋管或薄膜箔陣列。鈀擴散器由鈀銀合金材料制成，該材料在加熱到標稱 300ºC 以上時具有只允許單原子氫穿過其晶格的獨特屬性。與鈀薄膜表面接觸的氫分子離解為單原子氫并穿過薄膜。在鈀薄膜的另一側，單原子氫重新組合為雙原子氫。

PEM/鈀擴散過程

特點與優勢

       • 超高純度氫氣，幾乎無水分或氧氣攜帶。純度超過 99.99999%。
       • 無需例行維護。 
       • 提純器中鈀擴散器的預計正常使用壽命約為 5 年，取決于具體應用以及使用情況（來源： http://pureguard.net/cm/Library/FAQs.html）

問題

       • 使用鈀銀合金時，意外斷電會對擴散器造成無法逆轉的損害。
       • 鈀銀合金會吸收氫氣，導致體積增加或變形變脆。
       • 如果擴散器因孔洞而破裂，對此進行維修無經濟優勢。
       • 在氫氣存在時保證鈀薄膜不冷卻對于延長使用壽命至關重要。即使提純器短時間內在最佳工作溫度范圍外運行，也會使其耐用性下降。
       • 氫氣進入擴散器“提純”側后，需定期清理電解槽“未提純”側遺留氫氣（仍包含氧氣和水分等雜質）。這樣可以確保有充足數量的氫分子可進行跨鈀薄膜傳遞，以便維持擴散器效率。這一過程非常復雜，如果系統設計不佳，會使擴散器輸出壓力/流量產生脈沖效應。
       • 反應在超高溫度下進行，該過程中出現任何火源都非常危險，由此會引發安全顧慮。用于驅動加熱器盒的電流在此溫度下非常危險，如果發生任何問題都有可能產生明顯電弧。
       • 需要更換提純器中的鈀薄膜，更換間隔約為 5 年。
       • 推薦使用備用電解槽消除停機時間。
       • 碳排放量更大，因為需要用電將鈀合金加熱至工作溫度。

鈀電解槽/提純器綜合系統

采用金屬鈀陽極，由于水無法有效傳導電流，因此添加強水溶性電解質，通常使用 20% 的氫氧化鈉 (NaOH)。鈀管束作為陰極，只有氫及其同位素能夠穿過陰極，生成超高純度氫氣。

鈀電解槽/提純器綜合系統

特點與優勢

• 超高純度氫氣，幾乎無水分和氧氣攜帶

問題
       • 每 12 個月必須更換電解槽中的電解質溶液。使用的電解質為 NaOH（氫氧化鈉），氫氧化鈉為腐蝕性物質，必須小心處理。更換過程至少需要 8 個小時的冷卻時間和 4 個小時的啟動時間。必須事先排空所有之前使用的電解質溶液。
       • 含硫化合物和不飽和碳氫化合物會降低滲透性。
       • 氫氧化鈉會腐蝕設備，久而久之會造成損害。
       • 使用質量較差的電解質會損害電解槽的電化學裝置。
       • 存在電解質泄漏風險，會灼傷皮膚。

PEM/吸附劑變壓吸附

變壓吸附技術利用改變通過兩個充滿吸附材料（珠狀）柱的流量的原理工作，其中的吸附材料作為分子篩。氫通過一個柱時，少量干燥氣體沿另一柱傳遞。無吸附能力時，吸附材料會強制再生。該動作會在柱中完全再生吸附材料，因此無需更換材料。少量產品氫氣沖走廢物后，容器為下一生產周期準備就緒。生產的氫氣干燥程度極高，水分含量僅為 1ppm。

PEM/吸附 PSA 過程

特點與優勢
       • 穩定性高，可再生技術。
       • 無高壓或與之關聯的高電流。
       • 連續氫氣流，無壓力波動或脈沖效應。
       • 維護要求限于消電離器盒的更換。無需更換干燥劑或危險的腐蝕劑。
       • 啟動和停機程序簡短方便。
       • 操作簡便，運行可靠。
       • 與其他氫氣提純方法相比，能耗較低，因此運行成本更低。
       • 行業研究表明使用鈀技術能夠生產最干燥的氫氣，但根據 Agilent 技術公司的純度建議，PSA 足以滿足氣相色譜/質譜的要求。

問題

• 電解槽更換成本更高。
• 用于再生分子篩的氫氣會排入空氣。也可選擇市場中將此部分氫氣通過催化劑以消除向空氣排放氫氣的氫氣發生器。

PEM/硅膠干燥系統

使用硅膠干燥柱是另一常用提純方法并且因其簡便易行而被廣泛采用。使用 PEM 技術產生的氫氣會流過不銹鋼干燥盒去除水分。干燥柱通常由硅膠珠組成，硅膠珠在氫氣中作為干燥劑，可產生滿足行業純度要求的高純度氫氣。

PEM/硅膠干燥過程

特點與優勢

• 干燥器（硅膠）和消離子器盒更換簡便。
• 滿足氣相色譜純度的一般要求。
• 與其他提純方法相比，性價比高。

問題

• 通常會存在一些水分或氧氣攜帶。
• 干燥劑（硅膠）需要連續監控并定期更換，具體取決于系統使用情況。使用頻繁時，干燥盒可能需要每周更換。

Ed Connor DR.SC. 是 GC-MS 應用方面的專家, 去年2月加入Peak，他在瑞士蘇黎世聯邦理工學院取得了博士學位 。然后他加入了蘇黎世大學,他的工作主要集中在采用氣相色譜和GC-FID研究揮發物的收集方法和分析 +44 141 812 8100, econnor@peakscientific.com