[发明专利]制造氢气分离复合膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造气体分离系统的方法。具体而言，本发明涉及制造特别好地适合于从混合气体流中分离氢气的气体分离系统的方法。

背景技术

多种工业应用需要纯化气体的廉价来源。氢气是所述气体的一个实例。多种工业化学方法以及燃料电池动力系统中能量的生产中寻找纯化氢气的廉价来源。类似地，纯化氢气的廉价方法可显著扩大烃重整、重整反应器和水煤气变换反应的适用性。为了满足廉价纯化氢气的需求，已进行了大量研究来开发可用以从含有氢气和其它气体的不同工业气体流中选择性回收氢气的更有效的氢气可渗透气体分离膜系统。

利用薄贵金属膜的气体分离系统在本领域中是已知的。特别地，已经广泛地研究了包含钯膜的那些，因为它们具有高的氢气渗透性以及理论上无限的氢气选择性。钯气体分离膜为几个已授权专利和已公开专利申请的主题。

钯膜所面对的一个问题是所述膜在其使用和/或生产期间产生裂缝。钯膜中的裂缝使得不想要的气体通过所述膜并污染产物气体流。尽管膜裂缝可能存在多种可能的原因，但人们认为其制造期间的退火条件导致了所述裂缝。

在用于气体分离系统的已知制造方法中，将一个或多个薄层贵金属(例如钯)沉积于多孔载体上，所述多孔载体可以是已经进行了一定程度的预处理或并未进行一定程度的预处理。然后对复合系统(载体和金属膜)进行退火(即在特定条件下保持于高温下)以有助于熔融并回火各组分。授予Ma等人的U.S.专利7,727,596中论述了所述退火处理中的一种，其包括在氢气的存在下于最高达250℃的温度以及最高达8巴的压力下退火新形成的含钯膜。已观测到在所述条件下退火的膜在使用期间裂缝。裂缝很可能因为——至少部分因为——在所述膜中同时存在一氢化二钯的α形式和β形式。所述α形式和β形式具有不同的晶粒大小。

成本是可能总是研究气体分离系统——尤其是钯基系统——的驱动力的另一问题。贵金属基气体分离系统的制造是昂贵的。因此，本领域中改善制造效率的任何改善均可为非常有价值的，并且系统制造商投入了大量资源以寻求所述改善。

总之，对于制造减少或消除在由已知制造方法制造的系统中可看到的一些功能性问题(例如膜裂缝)的气体分离系统的方法，存在着需求。此外，还需要在经济上比已知方法更有效(例如需要更少的钯或更少的镀覆步骤)的制造方法。

然而，不能以损害功能为代价提高制造效率。在多种应用中，气体产物的纯度是至关重要的，并且在制造气体分离系统过程中的切削角(cutting corner)常常导致不能满足工业需要的系统。因此，制造商必须找到效率与功能之间适当的平衡。这常常需要获得方法改善的整体分析。换言之，改变制造方法中的一个方面可使得效率提高，但是将那个改变与其它下游改变的结合可在总的制造效率和产物性能中以倍增形式发挥作用。基于本发明的研究正是基于这样的整体分析。

发明内容

提供了一种制造气体分离系统的方法，其中所述方法包括提供具有第一平均孔径的多孔金属载体。所述多孔载体具有第一表面和第二表面，其中各所述表面与另一表面相对，从而限定载体厚度。本文中所用的术语“第一表面”意指所述多孔载体的将最终负载气体分离材料的薄膜以及位于所述第一表面和所述薄膜之间的任何中间扩散阻挡层的表面。

所述方法还包括使所述载体的所述第一表面与具有第一平均粒径的第一颗粒状材料接触以形成在涂覆载体上的第一涂覆表面，然后从所述第一涂覆表面移除任何过量的第一颗粒状材料。

所述方法进一步包括使所述第一涂覆表面与具有第二平均粒径的第二颗粒状材料接触以形成在所述涂覆载体上的第二涂覆表面，其中所述第二平均粒径小于所述第一平均粒径；随后从所述第二涂覆表面移除过量的第二颗粒状材料。

所述方法还包括沉积步骤和退火步骤。在沉积步骤中，沉积至少一层气体选择性材料以覆盖所述第一涂覆表面以及位于其间的任何颗粒状物质。在退火步骤中，在促进所述气体选择性材料的晶粒生长的温度下退火所述涂覆载体和沉积于其上的所述气体选择性材料。

还提供了一种制造气体分离系统的方法，其中所述方法包括以下步骤：提供具有第一表面和第二表面的多孔金属载体，其中各表面与另一表面相对，从而限定载体厚度。所述载体的第一表面具有可测量的初始表面粗糙度和初始平均孔径。然后使所述载体的第一表面与具有第一平均粒径的第一颗粒状材料接触以形成在涂覆载体上的第一涂覆表面，其中所述第一平均粒径小于所述初始平均孔径。从所述第一涂覆表面移除过量的第一颗粒状材料。