Выделение водорода из смеси и очистка от СО
Для выделения водорода из газовой смеси (с удалением большей части можно использовать металлические мембраны, которые пропускают моле* водорода Н2, но непроницаемы для других газов. Хотя их называют филь мембраны непористые, а их действие основано на диссоциации молекулы рода на атомы на поверхности мембраны с последующим образованием да, его быстрой диффузией через материал мембраны и рекомбинацией а водорода в молекулы на противоположной стороне мембраны. Таким об, механизм «фильтрации» водорода состоит из двух этапов: диссоциация мо. на атомы и образование гидрида с последующей его диффузией. Если в ка материала мембраны используется тантал, то образование гидрида и его дг зия протекают достаточно быстро, однако тантал является плохим катали ром процесса диссоциации. Палладий характеризуется высокой скоростью процессов, но этот металл очень дорогой. Одним из возможных решений проблемы может быть использование танталовых мембран с очень тонким ладиевым покрытием. При взаимодействии с водородом палладий слано — хрупким, поэтому используют сплавы палладия с золотом, серебром или м«. (обычно 60 % Ра и 40 % Си).
Для того чтобы обеспечить достаточно большую скорость «фильтрации» дорода через мембрану без существенного увеличения разности давлении, обходимо, чтобы толщина мембраны была небольшой. С одной стороны приводит к экономии дорогостоящего палладия, но, с другой стороны, пла — получаются очень хрупкими, вследствие чего в них могут появляться де в виде мельчайших отверстий. Просачивание лишних газов через эти отве нарушает избирательность «фильтра». Нанесение очень тонких, но максима;
равномерных слоев палладия на поверхности подложки с высокой пористостью позволит решить данную проблему. Уровень нежелательной пористости мембраны можно оценить путем измерения потока гелия, просачивающегося через нее. Гелий, в отличие от водорода, может проникать через мембрану только проходя через мельчайшие отверстия в ней.
Данные, полученные исследователями фирмы Idatech (рис. 8.1), демонстри — рют соотношение между толщиной мембраны и плотностью потока энергии, т. е. количеством энергии (в джоулях), переносимой в единицу времени в расчете на 1 м2 площади поверхности мембраны (энергия водорода рассчитывается по низшей теплоте сгорания). Данные были получены при температуре 400 °С н разности давлений на мембране 6,6 атм. Разница между проницаемостью мембран с гладкой и вытравленной поверхностью очевидна. Вытравленная поверхность мембраны более шероховата и поэтому имеет большую площадь, чем ’алкая поверхность. Таким образом удается интенсифицировать поверхностное заимодействие материала мембраны с водородом. Эффект интенсификации на — более заметен на тонких мембранах, чем на более толстых, так как в толстых мембранах скорость «фильтрации» водорода в основном определяется диффузией газа сквозь материал.
Рис. 8.1. Плотность потока энергии водорода через палладиевую мембрану. Тонкая вытравленная мембрана имеет большую площадь поверхности, поэтому пропускает водород лучше, чем гладкая мембрана
Палладий — это дорогостоящий металл. Топливный элемент мощностью 1 кВт, эотающий с КПД 60 %, потребляет в единицу времени количество водорода, римерно соответствующее 1,7 кВт энергии. Мембрана толщиной 17 мкм при депаде давления на ней 6,7 атм имеет производительность, эквивалентную дельной мощности 170 кВт/м2. Таким образом, общая эффективная площадь
мембраны должна составлять примерно 0,01 м2 или 100 см2. Если же обшая ‘ щадь палладиевой мембраны в 1,5 раза больше рассчитанной, а средняя толи составляет 20 мкм, объем металла будет равен 0,3 см3. Доля палладия в сп. используемом для изготовления мембраны, составляет 60 %, что соответст объему 0,18 см3 Масса такого количества палладия равна 2,2 г. В последнее. сятилетие стоимость палладия существенно выросла в связи с его использг ем в автомобильных каталитических нейтрализаторах отработавших газов нынешней цене 25 долл./г, стоимость палладия, необходимого для топлив элемента мощностью 1 кВт, составит 55 долл., что не так уж и мало.
Если окажется, что толщину мембраны можно уменьшить, например, или 2 мкм, затраты на материалы при изготовлении ТЭ существенно снизя Кроме того, конструктор может спроектировать мембрану с более низким репадом давления на ней.