[发明专利]镶嵌结构复合金属氢分离膜

说明书

技术领域

    本发明的技术名称是镶嵌结构复合金属氢分离膜，属新能源化工领域。用于提取高纯度的氢气。

背景技术

    现在主要采用热化学方法将煤、汽油、柴油和天然气等碳氢燃料直接转换成含有一定氢气组分的混合燃料。然而，目前燃料电池、化工、电子加工等行业需要高纯度的氢气，所以氢气提纯步骤非常重要。当前国内外的金属分离膜是在去掉氧化层的钽、钒等金属基板的两个表面上采用电镀法、溅射法、物理气相沉积等方法把钯或钯合金沉积在其表面上，作为氢气催化分解材料和基体材料氧化保护膜，从而来来解决分离膜表面容易氧化的问题。然而，一方面，采用这些传统方法来制备金属氢分离膜的制备条件要求比较苛刻，需要去掉金属表面致密氧化膜后再沉积一层钯或钯合金膜。另一方面，这种夹层型平板结合结构的金属氢分离膜经过长期反复高低温运行后，因不同金属材料间热膨胀系数不一致，会导致热应力集中，从而在钯及钯合金沉积层中出现破裂、与基板材料分离、甚至脱落等现象，最终使失去保护的基体材料在高温条件下快速氧化，生成氢原子难以穿透的致密氧化层；此外，在基板材料氧化后氧化物的散裂过程中，又会加剧催化保护层的脱落，进一步恶化这种复合金属分离膜的氢透特性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种镶嵌结构复合金属氢分离膜，省掉了传统方法去除表面氧化层的繁杂步骤，并且这种特殊的镶嵌结构还能有效地克服不同金属间因热膨胀系数不一致而产生的热应力，从而避免传统复合膜带来的一系列问题。

本发明所采用的技术方案是：镶嵌结构复合金属氢分离膜，采用金属钯或钯合金利用相关技术（如先进冷喷涂技术）把金属钯或钯合金颗粒以高速冲破钽、钒等金属基板表面的氧化层，使部分颗粒镶嵌进入基板中，形成特殊的三维结构复合金属氢分离膜。由于钽、钒等金属在空气中容易被氧化，因此可以在该金属表面上形成一层致密的金属氧化膜，从而阻止基板材料的进一步氧化。此外，由于氢原子无法通过钽、钒等金属表面的致密氧化膜，因此氢原子只能通过镶嵌在该表面上的金属钯或钯合金颗粒表面，从而进入金属氢分离膜内，最终形成一种以微小钯或钯合金颗粒表面为特殊结构的三维复合金属氢分离膜纯化结构。

    与现有技术相比，本发明的有益效果是：省掉了传统方法去除表面氧化层的繁杂步骤，并且这种特殊的镶嵌结构还能有效地克服不同金属间因热膨胀系数不一致产生的热应力，从而导致钯及钯合金层出现破裂、与基板材料分离、甚至脱落等问题。另一方面，这种特殊的镶嵌结构借鉴扩展表面强化传热原理，对该传质过程进行强化；此外，微肋结构的存在还能强化氢分子在催化分解材料表面的吸附、分解和扩散过程，并为氢原子穿过复合金属氢分离膜提供通道。

附图说明

图1.镶嵌结构复合金属氢分离膜结构示意图；

图2.氢分离器系统示意图；

其中： 1—钽、钒等金属基板；2—基板氧化层；3--钯或钯合金；4—氢气混合气体进口；5—金属钯或钯合金颗粒；6—基板氧化层；7—钽、钒等金属基板；8—杂质气体出口；9—分离出的纯氢气。

具体实施方式

如图1所示，金属钯或钯合金一部分嵌入膜基体材料表面，而使其另外一部分暴露于表面，形成这种特殊的三维镶嵌膜结构。

如图2所示，是一个简易的氢分离器系统示意图，进口处4的混合气体进入分离通道，氢气不断被钯或钯合金颗粒5不断催化分解而吸收，纯氢气9通过基板7到达另一侧被相关装置收集。而其它低含氢量杂质气体从通道的出口8流出，从而达到分离提纯氢气的效果。