CN103007697B - 甲醇水制氢设备的膜分离器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种甲醇水制氢设备的膜分离器及其制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1：分别制备金属钯膜管及陶瓷膜管；步骤S2：在金属钯膜管、陶瓷膜管的一端接头部位填充设定填充物，该填充物的膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间；步骤S3：在50~1000℃的温度下将填充物现场烧结，使其固化，使得金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位密封。本发明提出的甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，可制得密封性良好的膜分离器，从而保证氢气的制备效率。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及一种甲醇水制氢设备，尤其涉及一种甲醇水制氢设备的膜分离器；同时，本发明还涉及一种甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法。
背景技术
在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。
氢是一种无色的气体。燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量，是汽油发热量的3倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500℃，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。
在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大“仓库”，其中含有11％的氢。泥土里约有1.5％的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70％为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。
氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。
氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。1976年5月，美国研制出一种以氢作燃料的汽车；后来，日本也研制成功一种以液态氢为燃料的汽车；70年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了五千克氢，就使汽车行驶了110公里。
用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4％的氢气。用它作为汽车发动机燃料，就可节油40％，而且无需对汽油发动机作多大的改进。
氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。
另外，使用氢—氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利用更为方便。目前，这种燃料电池已在宇宙飞船和潜水艇上得到使用，效果不错。当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。
现在世界上氢的年产量约为3600万吨，其中绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取的，这就得消耗本来就很紧缺的矿物燃料；另有4％的氢是用电解水的方法制取的，但消耗的电能太多，很不划算，因此，人们正在积极探索研究制氢新方法。而用甲醇、水重整制氢可减少化工生产中的能耗和降低成本，有望替代被称为“电老虎”的“电解水制氢”的工艺，利用先进的甲醇蒸气重整——变压吸附技术制取纯氢和富含CO2的混合气体，经过进一步的后处理，可同时得到氢气和二氧化碳气。
甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：
CH3OH→CO+2H2 (1)
H2O+CO→CO2+H2 (2)
CH3OH+H2O→CO2+3H2 (3)
重整反应生成的H2和CO2，再经过变压吸附法（PSA）或钯膜分离将H2和CO2分离，得到高纯氢气。变压吸附法的耗能高、设备大，且不适合小规模的氢气制备。
然而，现有的钯膜分离过程中，通常有两种钯膜，一种是陶瓷钯膜，一种是金属钯膜。陶瓷钯膜的优势在于成本低，效率高，产量大；缺点在于制得氢气的纯度较低，通常利用陶瓷钯膜的分离方式，制得氢气的纯度在99%左右。金属钯膜的优势在于制得氢气的纯度高，通常为99.999%以上；缺点在于设备成本高，制备过程消耗的能量多，效率低，产量小。如今还没有一套方案，可以在低成本的条件下制备高纯度的氢气。
如今制备高纯度氢气通常仅能使用金属钯膜分离器，成本非常昂贵、且生产效率低下，从而大幅提升了制造成本，生产效率却很低。这项难题使得氢气的产业化道路停滞不前。
此外，如今还没有比较好的密封方法来实现金属与陶瓷的密封。现有的密封方法是通过石墨密封，陶瓷管套在金属管内，一端的接头通过石墨填充。这种密封方法依然容易泄露氢气，影响氢气的制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，可制得密封性良好的膜分离器，提高氢气的制备效率。
此外，本发明还提供一种利用上述制备方法制得的膜分离器，具有良好的密封性，可提高氢气的制备效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，所述方法包括如下步骤：
分别制备金属钯膜管及陶瓷膜管；金属钯膜管的材料为不锈钢，陶瓷膜管的材料为氧化锆、氧化钛、氧化铝的混合物，氧化锆、氧化钛、氧化铝的重量比为2~5:3~20:5~60；
在金属钯膜管、陶瓷膜管的一端接头部位填充设定填充物，所述填充物为硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂的混合物，硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂重量比为10：10~25；所述填充物的膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间；
在50~1000℃的温度下将填充的硅酸盐高聚物现场烧结5分钟~5小时，使其固化，使得金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位密封。
一种甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：分别制备金属钯膜管及陶瓷膜管；
步骤S2：在金属钯膜管、陶瓷膜管的一端接头部位填充设定填充物，该填充物的膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间；
步骤S3：在50~1000℃的温度下将填充物现场烧结，使其固化，使得金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位密封。
作为本发明的一种优选方案，所述填充物包括硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂。
作为本发明的一种优选方案，所述硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂重量比为10：10~25。
作为本发明的一种优选方案，所述填充物为硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂的混合物。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，在50℃的温度下将填充物加热3~5小时，将填充物在金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位现场烧结。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，在300℃的温度下将填充物加热20~40分钟，将填充物在金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位现场烧结。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤S3中，在1000℃的温度下将填充物加热5~15分钟，将填充物在金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位现场烧结。
一种上述制备方法制得的膜分离器，所述膜分离器包括金属钯膜管及陶瓷膜管；
在金属钯膜管、陶瓷膜管的一端接头部位填充设定填充物，该填充物的膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间；通过现场烧结的方式将所述填充物固化于金属钯膜管及陶瓷膜管之间。
作为本发明的一种优选方案，所述金属钯膜管的材料为不锈钢，陶瓷膜管的材料为氧化锆、氧化钛、氧化铝的混合物，氧化锆、氧化钛、氧化铝的重量比为2~5:3~20:5~60；
所述填充物为硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂的混合物，硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂重量比为10：10~25。
本发明的有益效果在于：本发明提出的甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，可制得密封性良好的膜分离器，从而保证氢气的制备效率。
附图说明
图1为本发明甲醇水制氢设备的膜分离器的结构示意图。
图2为本发明膜分离器制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图2，本发明揭示了一种甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，所述方法包括如下步骤：
【步骤S1】如图1所示，分别制备金属钯膜管1及陶瓷膜管2；金属钯膜管的材料为不锈钢，陶瓷膜管的材料为氧化锆、氧化钛、氧化铝的混合物，氧化锆、氧化钛、氧化铝的重量比为2~5:3~20:5~60。如，氧化锆、氧化钛、氧化铝的重量比为2:3:5，或者为4:10:59，等等。当然，陶瓷膜管的材料还可以包括其他材料。
【步骤S2】在金属钯膜管1、陶瓷膜管2的一端接头部位3填充设定填充物，所述填充物为硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂的混合物，硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂重量比为10：10~25（如重量比为10:10，或者为10:19，或者为10:25等等）；所述填充物的膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间。此外，填充物还可以包括除硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂之外的其他材料。硅酸盐可以包括CaSiO3等，硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂可以使用现有惯用的固化剂及交联剂。
硅酸盐高聚物固化剂及硅酸盐交联剂是现有技术可以获取的材料，可以由任意硅酸盐高聚物固化剂及任意硅酸盐交联剂进行组合，组合方式不受限定。
当然，还可以选用其他填充物，只要其膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间即可。
【步骤S3】在50~1000℃的温度下将填充的硅酸盐高聚物现场烧结5分钟~5小时，使其固化，使得金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位密封。
以上介绍了本发明甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，本发明在揭示上述制备方法的同时，还揭示一种上述制备方法制得的膜分离器。请参阅图1，所述膜分离器包括金属钯膜管1及陶瓷膜管2；在金属钯膜管1、陶瓷膜管2的一端接头部位3填充设定填充物，该填充物的膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间；通过现场烧结的方式将所述填充物固化于金属钯膜管及陶瓷膜管之间。
具体地，所述金属钯膜管的材料为不锈钢，陶瓷膜管的材料为氧化锆、氧化钛、氧化铝的混合物，氧化锆、氧化钛、氧化铝的重量比为2~5:3~20:5~60；所述填充物为硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂的混合物，硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂重量比为10：10~25。
经过测试，利用本发明方法制得的甲醇水制氢设备的膜分离器，在进行氢气制备时没有发现有漏气现象出现，氢气制备效率比现有的膜分离器提高了1.5倍以上。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述步骤S3中，在50℃的温度下将填充物加热3~5小时（如3小时、4小时或5小时），将填充物在金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位现场烧结。
实施例三
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述步骤S3中，在300℃的温度下将填充物加热20~40分钟（如20分钟、30分钟或40分钟），将填充物在金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位现场烧结。
实施例四
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述步骤S3中，在1000℃的温度下将填充物加热5~15分钟（如5分钟、10分钟或15分钟），将填充物在金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位现场烧结。
综上所述，本发明提出的甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，可制得密封性良好的膜分离器，从而保证氢气的制备效率。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (8)
1.一种甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
分别制备金属钯膜管及陶瓷膜管；金属钯膜管的材料为不锈钢，陶瓷膜管的材料为氧化锆、氧化钛、氧化铝的混合物，氧化锆、氧化钛、氧化铝的重量比为2～5:3～20:5～60；
在金属钯膜管、陶瓷膜管的一端接头部位填充设定填充物，所述填充物为硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂的混合物，硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂重量比为10：10～25；所述填充物的膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间；
在50～1000℃的温度下将填充的混合物现场烧结5分钟～5小时，使其固化，使得金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位密封。
2.一种甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：分别制备金属钯膜管及陶瓷膜管；
步骤S2：在金属钯膜管、陶瓷膜管的一端接头部位填充设定填充物，该填充物的膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间；所述填充物包括硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂；
步骤S3：在50～1000℃的温度下将填充物现场烧结，使其固化，使得金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位密封。
3.根据权利要求2所述的甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，其特征在于：
所述硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂重量比为10：10～25。
4.根据权利要求2所述的甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，其特征在于：
所述步骤S3中，在50℃的温度下将填充物加热3～5小时，将填充物在金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位现场烧结。
5.根据权利要求2所述的甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，其特征在于：
所述步骤S3中，在300℃的温度下将填充物加热20～40分钟，将填充物在金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位现场烧结。
6.根据权利要求2所述的甲醇水制氢设备的膜分离器的制备方法，其特征在于：
所述步骤S3中，在1000℃的温度下将填充物加热5～15分钟，将填充物在金属钯膜管、陶瓷膜管的接头部位现场烧结。
7.一种利用权利要求2所述制备方法制得的膜分离器，其特征在于：所述膜分离器包括金属钯膜管及陶瓷膜管；
在金属钯膜管、陶瓷膜管的一端接头部位填充设定填充物，该填充物的膨胀系数介于金属钯膜管材料及陶瓷膜管材料之间；通过现场烧结的方式将所述填充物固化于金属钯膜管及陶瓷膜管之间；所述填充物包括硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂。
8.根据权利要求7所述的膜分离器，其特征在于：
所述金属钯膜管的材料为不锈钢，陶瓷膜管的材料为氧化锆、氧化钛、氧化铝的混合物，氧化锆、氧化钛、氧化铝的重量比为2～5:3～20:5～60；
所述填充物为硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂的混合物，硅酸盐高聚物固化剂与硅酸盐交联剂重量比为10：10～25。
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