[发明专利]基于镍-BZNY质子导体的氢分离设备和使用方法在审

专利信息
申请号: 202211400552.2 申请日: 2022-11-09
公开(公告)号: CN115646191A 公开(公告)日: 2023-01-31
发明(设计)人: 罗天勇;蒋元鑫;覃凯煜;廖颖晴 申请(专利权)人: 电子科技大学
主分类号: B01D59/40 分类号: B01D59/40
代理公司: 成都华风专利事务所(普通合伙) 51223 代理人: 张巨箭
地址: 611731 四川省成*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 基于 bzny 质子 导体 分离 设备 使用方法
【说明书】:

本发明公开了一种基于镍‑BZNY质子导体的氢分离设备和使用方法,设备包括:BZNY质子导体;第一金属镍电极和第二金属镍电极,分别设置于BZNY质子导体两侧;第一引线,导电端与第一金属镍电极连接;第二引线,导电端与第二金属镍电极连接;第一引线的接入端和第二引线的接入端均与外部电信号输入设备连接;第一绝缘套筒,内部形成氢气提取空间;第二绝缘套筒,套设在第一绝缘套筒外侧,与第一绝缘套筒之间形成含氢混合气体提供空间。本发明采用金属镍作为电极,在超低浓度下工作所需的电压可小于10V且几乎不会诱发镍的析出现象,同时阴极和阳极采用同种材料,简化了膜片加工工艺。

技术领域

本发明涉及氢分离领域,尤其涉及基于镍-BZNY质子导体的氢分离设备和使用方法。

背景技术

核聚变被普遍认为是人类能源的终极解决方案,其基本原理是高温下发生聚变反应,氢的同位素氘和氚结合生成较重原子核如氦,同时放出巨大能量。在聚变反应产物的氦会混有一定量的氢同位素,需要将氢同位素与聚变产物氦进行分离提纯。另外,为了保证聚变堆燃料循环系统的氚自持,需要以氦气作为载气,利用聚变反应产生的中子对包层中的锂原子核进行轰击从而产氚,产生的氚需要被带出从而进一步进行氚回收,在该过程中同样涉及到氢同位素与氦的分离问题。

现有解决氢同位素与氦分离的办法主要采用生冷分离技术,即通过利用氢氦沸点(分别是77K和4K左右)不同的特性完成分离过程,即当温度降低到77K以下时,氢同位素气体开始凝结成液相,吸附在特制的吸附柱上,而氦气仍在沸点温度以上,仅发生较小凝结,从而实现氢同位素与氦的分离。上述方式的缺点在于能耗过高、系统复杂以及吸附效率低,其他混合气体也可能发生凝结吸附从而导致分离所得的氢同位素气体纯度不高,后续还有多次纯化工序。采用生冷分离技术分离提取氢同位素时,由于聚变反应产物和载气的工况温度较高,载气还需要从77K以下重新加热到高温,一方面能耗经济性比较差,另一方面由于分离前后系统温差较大,对结构设计以及结构材料的选择带来了一定困难。

为了提高氢同位素与氦分离的能耗经济性,近几年在基于钡锆氧化物(BZ)、钡锆钇氧化物(BZY)的透氢特性上,开发出了以BaZrxCeyY1-x-yO3-δ或BaZrxY1-xO3-δ为质子导体电解质、采用氧化物电极(NiO-NiO-BaZrxY1-xO3-δ或NiO-BaZrxCeyY1-x-yO3-δ作为阳极,LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ或LaxSr1-xMnO3-δ作为阴极)的氢氦分离设备及其制备工艺,例如申请号为CN201910919469.8的发明专利以及申请号为CN201910919470.0的发明专利。

在实际的使用研究过程中,当采用如上所示的氧化物电极时,在超低氢浓度下(含氢混合气体的氢气含量低于0.001%)完成氢氦分离过程需要提供超过100伏的电压,极大限制了其后续的工程化应用。

同时,由于阴极材料、阳极材料不同,使得阴阳两级在实际加工工艺上,需要根据各自材料的烧结特性进行工艺与性能的权衡:若为了工艺,采用与质子导体实现稳固结合的烧结温度存在较大差异时,会导致氧化物电极和质子导体出现明显的界面弱结合问题,易发生膜层脱落现象;反之,则会使得加工工艺非常复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供基于镍-BZNY质子导体的氢分离设备和使用方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:

本发明的第一方面,提供一种基于镍-BZNY质子导体的氢分离设备,包括:

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