新型复合金属氢分离膜表面三维微结构强化氢传输机制

本项目申请首次提出了一种强化氢传输过程的新型复合金属氢分离膜结构及其制备方法，将结合实验研究与数值模拟来对这一特殊表面结构的氢分离膜进行验证与测试。首先，通过对现有冷气体动力喷涂实验台进行改造，以制备获得具有三维微结构表面形貌的新型复合金属氢分离膜；其次，对该分离膜进行氢选择性、氢透过率和时效性测试，从而获得该新型复合金属氢分离膜的性能参数，并结合其它类型复合金属氢分离膜，对该新型复合金属氢分离膜的性能作出评价；最后，通过对分离膜表面及断面进行微观观测，分析总结出分离膜表面的微观几何结构特征。在此基础上，建立分离膜表面三维微结构强化氢传输过程的理论分析模型，应用格子波尔兹曼方法对氢分子在三维微结构表面上的传输与扩散过程进行数值模拟，发现和揭示分离膜表面三维微结构强化氢传输机制，从而为制备廉价、性能优越、长时效性的复合金属氢分离膜提供实验和理论数据。

从碳氢重整气中获取高纯度氢气的主要方法是采用金属膜分离技术。由于纯金属钯价格昂贵、机械加工性能差等原因，使纯钯膜的应用受到一定限制。虽然钯合金以及复合金属氢分离膜在一定程度上大大降低了氢分离膜成本，改善了机械加工性能，但是其使用寿命还远远没有达到工程实际应用要求。.鉴于上述原因，本项目提出采用廉价金属钽和钒及其合金作为膜基体材料，采用冷喷涂工艺将钯及钯合金颗粒沉积在膜基材表面，使得该颗粒部分嵌入基材，另外一部分则暴露于基材表面，形成类似于三维微肋的特殊表面结构，强化氢分子在分离膜表面的传输过程。通过本项目的实施，部分实现了预期研究目标，获得如下主要研究成果：. (1) 通过对冷喷涂表面微观形貌的表征研究，验证了采用冷喷涂工艺制备这种特殊镶嵌结构复合金属分离膜的可行性；. (2) 通过对复合金属氢分离膜氢传输过程的数值模拟，获得了镶嵌结构复合金属氢分离膜强化氢传输的机理；. (3) 具有特殊结构的镶嵌式复合金属氢分离膜，可以显著提高分离膜的氢传输性能；. (4) 复合金属氢分离膜热应力分析结果表明，镶嵌结构可以大大提高复合金属氢分离膜的使用寿命；