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氢气纯化是从氢气中去除杂质和污染物以生产高纯度、高质量产品的过程。氢气可能被多种杂质污染，包括水蒸气、一氧化碳和其他气体。氢气纯化过程涉及使用专用设备和技术去除这些杂质，以生产符合所需纯度标准的氢气。
氢气中的具体杂质取决于气体的来源及其生产条件。例如，从天然气中生产的氢气可能比通过水电解生产的氢气含有更高水平的杂质。
氢气的质量等级对燃料电池电动汽车（FCEV）的性能有显著影响。燃料电池需要高纯度氢气才能高效可靠地运行，而氢气中的杂质会影响燃料电池的性能。例如，水蒸气和一氧化碳等杂质会干扰燃料电池的运行，而氧气和氮气等杂质会降低系统的效率。因此，燃料电池汽车通常需要高纯度等级的氢气，例如上述的 ISO 14687 标准。
氢气纯化方法
集成氢气纯化器的系统和工艺将决定纯化氢气的方法。特定应用需要使用专用的氢气纯化技术，包括通过钯膜纯化器扩散纯化氢气、催化纯化氢气或通过变压吸附纯化氢气等复杂工艺。
氢气如何纯化？
氢气纯化可以通过多种方法实现，具体取决于需要去除的杂质类型以及所需的纯度水平。以下是一些常用的方法。
- 变压吸附：变压吸附 (PSA) 是用于氢气纯化的最常见方法之一。通过变压吸附纯化氢气涉及使用填充有选择性吸附某些杂质（如水蒸气或一氧化碳）材料的容器。当氢气通过容器时，杂质被吸附到材料上，而纯化后的氢气则在另一侧收集。PSA 氢气纯化是一种仅适用于固定设施的工业工艺。
- 膜分离：在膜分离过程中，使用膜来分离和纯化氢气。氢气纯化膜对某些气体（如氢气）具有选择性渗透性。当氢气通过膜时，杂质被截留，纯化后的氢气在另一侧收集。
- 电化学分离：该过程发生在钯氢气纯化器中。分离过程通过利用钯涂层膜的催化特性电化学促进。这些钯膜氢气纯化器非常紧凑，非常适合用于氢能交通应用。
- 蒸馏：蒸馏是另一种用于纯化氢气的方法。它涉及使用蒸馏柱，根据沸点将杂质与氢气分离。纯化后的氢气在柱顶收集，而杂质则在柱底收集。
氢气的纯度可能取决于其生成来源。通过水电解生产的氢气（也称为绿氢）通常比通过化石燃料生产的氢气（也称为灰氢）纯度更高。这些生产过程需要不同类型的氢气纯化器。这是因为绿氢的生产涉及水的电解，产生的氢气相对不含杂质。相比之下，灰氢的生产涉及化石燃料的蒸汽重整，可能会产生含有较高水平杂质（如一氧化碳和水蒸气）的氢气。
示例：氢气处理系统
氢气纯度标准
氢气纯度标准是全球公认的标准，规定了氢气中允许的最大杂质水平以及用于测试氢气纯度的方法。以下是几种用于分析氢气纯度的标准。
- ISO 14687 ：这是最常用的国际标准之一，规定了用于燃料电池汽车的氢气要求。它规定了包括水蒸气、一氧化碳和其他气体在内的最大允许杂质水平，以及用于测试气体纯度的方法。
- ASTM D4814 ：该标准由美国材料与试验协会（ASTM）制定，规定了用于车辆的氢燃料要求。它规定了最大允许杂质水平以及用于测试气体纯度的方法。
- SAE J2601 ：该标准由汽车工程师协会（SAE）制定，规定了用于燃料电池汽车的氢燃料要求。它规定了最大允许杂质水平以及用于测试气体纯度的方法。
氢气纯度测量方法
- 用于分析气体（包括氢气）组成的最常见方法之一是气相色谱法。它涉及使用一种专用仪器，根据气体的化学性质分离气体，然后测量每种气体的浓度。
- 质谱法是另一种用于分析氢气组成的方法。它涉及使用一种专用仪器，将气体离子化，然后测量离子的质量以确定气体的组成。
- 气体分析仪也可用于测量氢气的纯度。这些是使用多种技术（如红外吸收或电化学传感器）测量气体中杂质浓度的精密仪器。
氢气纯度系统法规
根据具体应用和地点，有多种法规规定了氢气纯化的要求。以下是一些相关法规。
- 国际法规：有多个国际法规规定了氢气纯化的要求，包括上述的 ISO 14687 标准。
- 国家法规：许多国家根据具体应用制定了本国的氢气纯度法规。这些法规可能基于国际标准，也可能规定了额外的要求。
- 行业法规：根据具体应用，可能还有行业特定的法规规定了氢气纯化的要求。例如，航空航天行业对氢气纯度的要求可能与汽车行业不同。
氢气纯化设备
有多种不同类型的设备用于测量氢气的纯度，但设备的选择取决于所使用的纯化方法。以下是一些常用设备。
- PSA 吸附塔：在 PSA 吸附氢气纯化系统中，使用填充有吸附材料的专用容器来纯化氢气。这些容器可能由不锈钢或其他材料制成，并可能设计用于不同的流量和杂质水平。
- 膜分离组件：用于氢气的分离和纯化，使用包含膜的专用组件来纯化氢气。这些组件可能由塑料或其他材料制成，并可能设计用于不同的流量和杂质水平。
- 精馏塔：用于蒸馏纯化，使用专用的精馏塔在氢气纯化器中分离杂质。这些塔可能由不锈钢或其他材料制成，并可能设计用于不同的流量和杂质水平。
应用领域
氢气纯化通常用于需要高纯度氢气的关键应用，如燃料电池汽车、发电和工业过程。在这些应用中，氢气中的杂质会影响系统的性能和可靠性。例如，水蒸气和一氧化碳等杂质会干扰燃料电池的运行，而氧气和氮气等杂质会降低系统的效率。
供应链对氢气纯度的影响
为了在整个氢气供应链中保持一定的氢气纯度水平，必须在供应链的每个阶段实施适当的纯化工艺。这可能涉及使用专用设备和技术去除氢气中的杂质和污染物。此外，实施严格的质量控制措施以确保氢气在整个供应链中符合所需的纯度标准非常重要。这可能涉及使用气相色谱法、质谱法和气体分析仪等工具和方法来评估供应链各个阶段的气体纯度。
最后更新：2023 年 1 月 31 日