文档介绍：中国工程热物理学会学科类别(传热传质学)
学术会议论文编号:123181
新型复合金属氢分离膜热应力的数值模拟基金项目:国家自然科学基金资助项目()
张浩1,廖全1,2
(,,重庆 400044)
(Tel: 023 65111867, Email: ******@cqu.)
摘要建立了复合金属氢分离膜热应力有限元分析模型。在不同工作温度条件下,对常规的平板式复合金属氢分离膜和本文所提出的新型镶嵌式复合金属氢分离膜内的热应力进行了详细地分析和比较。结果表明:在相同材料匹配及工作温度条件下,新型复合金属氢分离膜内沿交界面端面处向下逐渐减小的压应力会使结构结合得更加紧密牢固,从理论上证实了这种镶嵌结构能够大大地延长复合金属氢分离膜的使用寿命,为这种镶嵌结构复合金属氢分离膜的制备与应用提供了理论指导。
关键词复合金属氢分离膜;氢的纯化;热应力;数值模拟
0前言
目前大规模的氢气制备中,其所得产物中含有一些使燃料电池电极催化剂中毒的气体,这会使燃料电池催化剂活性减弱、寿命缩短,这也成为制约清洁、高效燃料电池在实际推广应用中最主要的障碍之一[1]。因此,从混合气体中分离出氢气,是获得高纯度氢气的一个非常重要的步骤。传统方法难以获得高纯度的氢气,不能满足某些行业对高纯氢的需求,因此对氢气纯化分离膜的研究具有潜在而广阔的应用前景。
对氢气纯化的膜分离技术主要分为:原子传输致密金属膜、离子传导膜和微孔过滤分离膜等[2]。%高纯氢气。为了减少原子传输致密金属膜对贵重金属钯的用量,现在原子传输致密金属膜的研究工作主要集中在复合金属钯分离膜[3]。该分离膜主要是以表面容易氧化生成氢气难以渗透的致密氧化层的廉价高渗氢金属如钽(Ta)、钒(V)等为基材,通过物理或化学方法[4, 5]在基材表面上沉积一层很薄的钯或钯合金,形成如图1所示结构的平板式复合金属氢分离膜,从而既能实现高纯度氢气的分离,又能够有效地减少贵重金属钯的用量。
图1 平板式复合金属氢分离膜结构示意图
现有的研究[6]表明,虽然该种复合金属氢分离膜具有优良的氢选择性和透过能力,但是由于沉积的钯或钯合金与膜基体材料间为平面结合,并且不同金属材料间热膨胀系数不一致,使得在较高温度条件下会在金属交界面上产生热应力集中,经过长期高低温反复
运行后,导致钯或钯合金层出现破裂、与基体材料分离、甚至脱落等现象,从而使失去保护的基体材料在高温下快速氧化,生成氢原子难以穿透的致密氧化层;此外,当基体材料氧化后在氧化物的散裂过程,又会加剧催化保护层的脱落,进一步恶化这种复合金属分离膜的氢透特性,最终导致该分离膜失效。
为了克服上述平板式复合金属分离膜带来的缺点,本文提出一种以冷气体动力喷涂技术为基础,制备得到的一种新型复合金属氢分离膜。冷气体动力喷涂(cold gas dynamic spray method)是利用高温高压气体(如He、N2混合气体或空气)携带金属粉末,在缩放喷管中加速流动,产生超音速气流,从而把金属粉末颗粒加速到一定速度之后撞击在基体材料上,使得金属粉末颗粒以图2的方式沉积在基体材料上。
图2 典型的冷喷涂镶嵌结构
通过冷气体动力喷涂技术