2022年08月17日 星期三
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新方法提高混合气体中氢气回收率

2022/5/31 16:02:123510

据国外媒体报道:冶炼金属、制造化肥和为重型车辆的燃料电池提供动力等过程都需要纯化氢气。但是,将氢气从其他气体的混合物中提纯或分离出来可能很困难,并且需要经过几个步骤。宾夕法尼亚州立大学化学工程系副教授Chris Arges领导的一个研究小组证明,使用配备新开发膜材料的电化学氢泵可以简化这一过程。新方法从燃料气体混合物(合成气)中的氢气回收率为85%,从传统的水气变换反应器出口处的氢气回收率为98.8%。该团队在《美国化学学会-能源通讯》杂志中详细介绍了他们的方法。

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传统的氢气分离方法采用了水气变换反应器,这涉及到一个额外的步骤。水气变换反应器首先将一氧化碳转化为二氧化碳,然后通过吸收过程将氢气从中分离出来。然后,净化后的氢气用压缩机加压,以便立即使用或储存。而使用高温质子交换膜 (PEMs)可以快速、经济地从二氧化碳和一氧化碳以及其他气体分子中分离出氢气。配备了PEM和Arges团队开发的新的电化学泵比传统方法更有效,因为它可以同时从混合气体中分离和压缩氢气。该方法还可以在200至250摄氏度的温度下运行,比其他高温PEM型电化学泵高20至70度,这提高了氢气的回收效率。

Arges介绍说,这是一种有效的、有可能节省成本的提取氢气的方法,特别是当有大量的一氧化碳含量时。该团队在由高达40%的一氧化碳组成的混合物中实现了氢气提纯。为了进行分离,Arges的团队创建了一个 “三明治”型的电极,其中具有相反电荷的电极构成两边的“面包”,而膜是其中的“夹心”,电极离子体粘合剂材料被设计用来保持电极的结合。在泵中,带正电的电极,将氢气分解成两个质子和两个电子。质子通过膜,而电子则通过泵的外部电线接触到带正电的电极。然后质子通过膜到达带负电的电极,与电子重新结合,重新形成氢气。

PEM的工作原理是允许质子通过,但阻止一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氮气等大分子通过。为了使电极在氢泵中有效地工作,Arges和他的团队合成了一种特殊的磷酸离子聚合物粘合剂,作为一种粘合剂将电极颗粒粘连在一起。这种粘结剂能有效地制造出机械结构坚固的多孔电极,允许气体运输,这样氢气就能在电催化剂表面反应,同时也能将质子送入和送出膜。