膜催化反应器及其制氢技术的研究进展帅炳印

膜催化反应器及其制氢技术的研究进展帅炳印

帅炳印

（浙江润丰氢发动机有限公司浙江杭州311121）

摘要：我国的经济呈现着新的发展态势，在这种形势下，我国的许多行业中潜藏的问题正在不断的暴露出来，而在燃料电池技术这一行业也不例外，燃料电池技术如果想要实现工业化，就必须要对一个关键性的问题进行详细的研究，并提出相应的解决的办法，这一个关键性的问题便是使用最低成本制取最大规模的高纯度氢气。对这一问题进行解决的一个有效途径便对膜催化反应技术进行应用。本文对膜催化反应器进行详细地调查，对它的一些相关内容进行了较为详细地叙述，并对它在制取高纯度氢气中的应用进行了介绍。

关键词：膜；反应器；催化；氢气

在21世纪，燃料电池得到了广泛的应用，它已经成为本世纪最受欢迎的具有清洁性、高效性的发电技术，它不仅在能量的转换上具有很高的效率，并且对环境造成的污染很小。燃料电池的应用范围十分广泛，在运输领域、军事领域、电力领域都可以看到它的身影，尤其是运输领域中的汽车行业，这一行业对它的关注度在不断提升。

一、膜催化反应器

1.1膜催化反应器的优点

膜催化反应器具有双重性的功能，它既有催化的功能，又兼具分离的功能，而传统的催化与分离的过程是不能够兼具这两种功能。与传统的形式相比，膜催化反应器拥有其自身的优越性，这些优越性表现在许多方面，首先膜催化反应器可以使催化与分离同时得到兼具，这样可以使工艺在进行的过程中更为紧凑，可以使工程的成本得到节约，还可以使操作的费用与消耗的能源得到减少，使用膜催化反应器进行操作时，有一部分会对化学平衡限制有所反应，而这些反应可以对热力学的限制进行一定程度的突破，并且可以使化学平衡得到移动，从而使反应的产率得到大幅度的提高；膜催化反应器在进行催化与传统的催化相比它更具有选择性，并且这些催化存在的微孔比较多，分布的范围比较广；膜催化反应器的催化剂有更高的活性，可以使转化的效率得到提升，从而使反映发生的苛刻程度得到降低；膜催化反应器的氧气来源主要是从廉价的空气中直接获得的，在获得氧源的同时还可以使氮气对反应以及产品所产生的影响得到消除，并且可以在一定程度上避免在高温条件下形成氮氧化物污染物的可能性，还可以使制取的操作过程更为简单，从而使制取过程中的成本以及污染得到减少。

1.2膜催化反应器的组成

膜催化反应器组成部分有很多，其中最主要的有三部分，它们分别是膜层、催化剂以及载体。在进行催化反应的过程中，如果操作模式存在着差异，那么膜催化反应存在有差异的功能是被允许的。膜催化反应器中的膜，其本身是一种催化惰性，并且可以将催化中具有活性的组分浸渍或者将这些组分包埋在膜的内部的只有一个功能，那就是选择性分离功能；膜催化反应器的膜，其本身具有催化活性，并且它具备催化剂所拥有的功能；膜催化反应器的膜具有双重性的功能，这两个功能分别是催化活性以及分离壁垒，而膜层、催化剂以及载体之间的结合方式存在差异，那么膜催化反应器就会有不同的组装方式。以具有差异的膜催化反应体系以及膜的分离性能为根据，对具有高效性的膜催化反应器进行有针对性的设计，对膜催化反应器结构的形式进行重视，并对操作的流程进行反复地模拟，与此同时，还要对反应以及分离区进行一定的研究，比如浓度的流动、传热，从而使膜催化反应器在制取时，催化以及分离过程的配合和设计达到最佳。

二、膜及其制备技术

2.1膜

膜的透过性是具有特殊选择性的，它最常见的存在形式是薄膜，并且它会对透过膜的相对速率进行筛选以及分组，从而使组分间的分离得到实现。而膜催化反应器中的膜是一种催化膜，它同时具有两种功能，分别是催化功能以及分离功能。以膜的制造材料为依据，可以把膜划分成为两大类，分别是有机膜和无机膜。无机膜主要是由无机材料所构成的半透膜，它的表层有许多的孔状结构，以这些孔状结构存在的差异为依据，它可以分为致密无机膜和多孔无机膜，并且与有机膜不同的是，无机模具有很好的机械性以及热稳定性，它能够承受的温度非常高，且它的化学稳定性十分的强大，可以很大程度的避免老化现象的出现。

2.2膜的制备技术

膜催化反应器在进行制备时有一个十分关键的要素，那就是膜的材料，它对膜催化反应的性能起着十分重要的决定作用，它渗透扩散的优劣会对膜催化反应的性能产生十分重要的影响。在高温条件下进行分离和催化时，进行制备时需要有很好的耐高温性以及化学稳定性。无机膜有许多进行制备的方法，最常被使用的是固态粒子烧结法以及溶胶凝胶-模板技术。

三、催化反应器在制备高纯度氢气中的应用

膜催化反应器拥有许多种类型，透氧膜催化反应器便是其中之一，在使用它进行高纯度氢气制备的过程中，它可以使廉价的空气或者是含有氧元素的物质中的氧气得到直接的分离，把这些分离出来的氧气作为氧气的来源，从而为催化反应提供动态的氧气，这种反应器成本少，操作难度较小，而且可以很大程度的避免氮氧化物的污染，并且它十分容易对反应进行控制。在制备高纯度的氢气时，可以对透氧膜催化反应器加以利用，以廉价的空气作为氧气的来源，这些物质催化重整的制氢特性进行研究。比如说甲烷这种物质，使用透氧膜催化反应器在水高温的条件下，甲烷可以被分解成氢气和氧气，这些被分解出的氧气膜中逸出扩散到管外，从而实现氧气与氢气的分离，并且整个催化过程可以进行自行的维持，经过甲烷的催化可以使部分氧化反应进行放热，而这些热量可以对水进行加温，加温后的水又会继续进行分解的行为，从而使整个制备的过程不断得到维持。

四、结束语

在未来的催化学科的发展中，膜催化反应拥有十分重要的地位，它的发展前景十分广阔，是催化学科进行研究的重要方向，目前，相关学者对膜催化反应器的研制形态多种多样，并且它们的功能也有所差异，但是如果想要它们在工业中得到更好的应用，就必须要对一些问题进行解决，要增强膜的密闭性以及稳定性，还要要提高它的耐高温性。通过对膜催化反应器进行较为综合性的设计，在未来是可以使燃料电池对高纯度氢气的需求得到满足的，并且这种方法对氢气的制备是十分清洁的，对环境的保护也拥有一定的效益。

参考文献

[1]闫云飞,张力,李丽仙,唐强.膜催化反应器及其制氢技术的研究进展[J].无机材料学报,2011,26(12):1233-1243.

[2]王建伟.膜催化反应器及其在加氢领域的应用[A].石油大学重质油国家重点实验室.第九届全国化学工艺学术年会论文集[C].石油大学重质油国家重点实验室:石油大学重质油国家重点实验室,2016:7.