阅读说明：本技术 一种含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件 (Hydrogen isotope extraction assembly for hydrogen-containing mixed gas under high-temperature condition ) 是由 林彬 罗天勇 刘诗源 武浩东 刘睿 程琪 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件,其包括依次连接的进气管道、分离装置和收集管道,分离装置包括质子导体陶瓷膜,质子导体陶瓷膜的两端结构相同且相互对称,质子导体陶瓷膜上设置有铜电极筒,铜电极筒的上端设置有法兰电极片,铜电极筒的内侧和外侧分别套设有内测绝缘筒和外侧绝缘筒,内测绝缘筒的上部与上部绝缘环套接,内测绝缘筒的上端与铜垫片连接,铜垫片的上侧设置有端部法兰。本发明能够解决现有技术中含氢混合气体中氢气分离所需温差过大、对现有材料力学性能要求偏高、分离制得的氢气含杂质过多的问题,条件要求低、分离效率高、可靠性强。(The invention discloses a hydrogen isotope extraction component for hydrogen-containing mixed gas under a high-temperature condition, which comprises an air inlet pipeline, a separation device and a collection pipeline which are sequentially connected, wherein the separation device comprises a proton conductor ceramic membrane, the two ends of the proton conductor ceramic membrane are identical in structure and are mutually symmetrical, a copper electrode cylinder is arranged on the proton conductor ceramic membrane, a flange electrode plate is arranged at the upper end of the copper electrode cylinder, an inner side insulation cylinder and an outer side insulation cylinder are respectively sleeved on the inner side and the outer side of the copper electrode cylinder, the upper part of the inner side insulation cylinder is sleeved with an upper insulation ring, the upper end of the inner side insulation cylinder is connected with a copper gasket, and an end flange is arranged on the upper. The invention can solve the problems of excessive temperature difference required by hydrogen separation in the hydrogen-containing mixed gas, high requirement on the mechanical property of the existing material and excessive impurity content of the separated hydrogen in the prior art, and has low requirement on conditions, high separation efficiency and strong reliability.)

一种含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件

技术领域

本发明涉及同位素分离技术领域，具体涉及一种含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件。

背景技术

在人类社会不断发展的时代，化石能源的大量消耗造成了严重的环境污染。随着科技的进步，氢能作为一种新型的清洁能源逐渐走入了人们的视野。然而氢气作为一种二次能源，制备本身耗能较高。因此如何从含氢混合气体中提取分离氢同位素并加以利用已然成为了解决氢能短缺的关键途径之一。

核聚变被普遍认为是人类能源的终极解决方案，核聚变基本原理是利用氢的同位素，氘和氚，在高温下发生聚变反应，结合生成较重原子核，如氦，同时放出巨大能量。因此在聚变产物氦中会混有一定量的氢同位素，需要将氢同位素与聚变产物氦进行分离。另外，为了保证聚变堆燃料循环系统的氚自持，会利用聚变反应产生的中子轰击包层中锂原子核产氚，并用氦气作为载气，将产生的氚带出，在进一步的氚回收过程中，也将涉及氢同位素与氦的分离问题。

现有解决氢同位素与氦分离的办法主要采用生冷分离技术，即通过利用氢氦沸点，分别是77K和4K左右，不同这一特性，当温度降低到77K以下时，氢同位素气体开始凝结成液相，吸附在特制地吸附柱上，而氦气仍在沸点温度以上，发生较小凝结，从而实现氢同位素与氦的分离。

但上述方式的缺点在于能耗过高、系统复杂以及吸附效率低，其他混合气体发生凝结吸附导致分离得到的氢同位素气体纯度不高，需要进一步反复纯化。由于聚变反应产物或者载气的工况温度较高，采用生冷分离技术分离提取氢同位素的载气还需要从77K以下重新加热到高温，一方面能耗经济性比较差，另一方面由于分离前后系统温差较大，对结构设计以及结构材料的选择带来了一定困难。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中含氢混合气体中氢同位素分离所需温差过大、对现有材料力学性能要求偏高、分离制得的氢气含杂质过多的问题的含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件，其包括依次连接的进气管道、分离装置和收集管道，所述分离装置位于进气管道中部，分离装置两端结构相同且相互对称，分离装置中部设置有质子导体陶瓷膜，质子导体陶瓷膜两侧设置有铜电极筒，铜电极筒的上端设置有法兰电极片，铜电极筒的内侧和外侧分别套设有内侧绝缘筒和外侧绝缘筒，内侧绝缘筒的上部与上部绝缘环套接，内测绝缘筒的上端与铜垫片连接，铜垫片的上侧设置有端部法兰。

上述技术方案中，优选的，内测绝缘筒的长度与铜垫片的厚度之和与铜电极筒、外侧绝缘筒、和上部绝缘环的长度之和相等。

上述技术方案中，优选的，法兰电极片的外径大于外侧绝缘筒的外径。

上述技术方案中，优选的，分离装置中的质子导体陶瓷膜呈片状，为三层复合结构。

上述技术方案中，优选的，质子导体陶瓷膜包括阳极层、质子导体层和阴极层，其中阳极层邻近进气管道一侧并与直流电源正极相连，阴极层位于氢气收集管道道一侧，与直流电源负极相连，质子导体层夹在阳极层与阴极层中间。

上述技术方案中，优选的，阳极层由NiO-BaZr_xY_1-xO_3-δ或NiO-BaZr_xCe_yY_1-x-yO_3-δ构成；阴极层由La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO_3-δ或La_xSr_1-xMnO_3-δ构成；质子导体层由BaZr_xCe_yY_1-x-yO_3-δ或BaZr_xY_1-xO_3-δ构成，其中0<x<1，0<y<1。

上述技术方案中，优选的，上部绝缘环的材质均为氧化铝。

上述技术方案中，优选的，收集管道外侧设置有保温层。

上述技术方案中，优选的，进气管道为三通管。

本发明还提供了一种利用上述含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件的抽取方法，其方法为：将分离装置电压调至1V至15V，将含氢混合气体的温度调至到450℃至650℃后通入进气管道，并与分离装置接触并进行反应，被提纯的氢气进入收集管道，剩余的含氢混合气体进入进气管道另一端。

本发明提供的上述含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件的主要有益效果在于：

本发明通过将含氢混合气体利用质子导体陶瓷膜质子传导作用，实现高温下氢同位素与其它气体的直接分离，简化氢同位素提取过程，降低能量损耗，减少提取时间。

通过设置质子导体陶瓷膜作为含氢混合气路与氢气气路的物理隔断，使氢同位素透过质子导体陶瓷膜由进气管道在电场驱动下渗入收集管道。

相比管式质子导体陶瓷膜，片式质子导体陶瓷膜的结构简单，可直接采用流延法或压片工艺生产，不需要进行拉管工艺步骤，制作成本较低，电流密度较大，可以在抗压条件较低的工况下有效地降低含氢混合气体氢提取装置成本，提升含氢混合气体氢提取效率。

本发明提供的上述含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件的抽取方法的主要有益效果在于：

通过向分离装置中通入直流电流，使两个法兰电极片构成阴阳电极，在质子导体陶瓷膜两端形成电位差，氢同位素气体分子在阳极催化生成氢同位素离子并在电场驱动下透过质子导体膜，在阴极被还原为氢同位素气体分子，完成提取过程。而其他混合气体分子则无法通过质子导体陶瓷膜，从而实现了氢同位素与其它混合气体的分离。

相对于现有技术中氢同位素与其它混合气体生冷分离技术，该方法规避了在过程中反复升降温的过程，从而极大地降低了氢氦分离过程中的能耗，简化了装置，减轻了结构设计的压力。

由于质子导体陶瓷膜仅对氢同位素有导通特性，排除了生冷分离技术中载气杂质气体对吸附柱的毒化，可以显著提高氢同位素的分离回收效率，保证分离得到氢同位素的高纯度。

附图说明

图1是分离装置的结构示意图。

图2是收集管道、分离装置与进气管道的位置关系示意图。

图3是质子导体陶瓷膜的结构示意图。

其中，1、收集管道，2、分离装置，21、质子导体陶瓷膜，211、阳极层，212、质子导体层，213、阴极层，22、铜电极筒，221、法兰电极片，23、外侧绝缘筒，24、内侧绝缘筒，25、上部绝缘环，26、铜垫片，27、端部法兰，3、进气管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件的分离装置的结构示意图。

本发明的含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件包括依次连接的进气管道3、分离装置2和收集管道1，分离装置2位于进气管道3中部，分离装置2两端结构相同且相互对称，分离装置2中央设置有质子导体陶瓷膜21，质子导体陶瓷膜21两侧设置有铜电极筒22，质子导体陶瓷膜21两侧的铜电极筒22分别与直流电源正极和负极连接，铜电极筒22的上端设置有法兰电极片221，铜电极筒221的内侧和外侧分别套设有内侧绝缘筒24和外侧绝缘筒23。其中，内侧绝缘筒24的上部与上部绝缘环25套接，内测绝缘筒24的上端与铜垫片26连接，铜垫片26的上侧设置有端部法兰27。

具体的，内测绝缘筒24的长度与铜垫片26的厚度之和与铜电极筒22、外侧绝缘筒23和上部绝缘环25的长度之和相等，以保证结构安装的紧密性。法兰电极片221的外径大于外侧绝缘筒23的外径。

分离装置中的质子导体陶瓷膜21呈片状，为三层复合结构，如图3所示。质子导体陶瓷膜21包括阳极层211、质子导体层212和阴极层213，其中阳极层211邻近进气管道3一侧并与直流电源正极相连，阴极层213位于氢气收集管道1一侧，与直流电源负极相连，质子导体层212夹在阳极层211与阴极层212中间。

其中，阳极层211由NiO-BaZr_xY_1-xO_3-δ或NiO-BaZr_xCe_yY_1-x-yO_3-δ构成；阴极层213由La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO_3-δ或La_xSr_1-xMnO_3-δ构成；质子导体层212由BaZr_xCe_yY_1-x-yO_3-δ或BaZr_xY_1-xO_3-δ构成，其中0<x<1，0<y<1。通过将质子导体陶瓷膜21设置为钡锆铈钇陶瓷，相比SrCe_0.95Yb_0.05O_3-a(SCO)，该材料制成的陶瓷膜更稳定，不会在CO₂和水汽环境中发生副反应。

上部绝缘环25的材质均为氧化铝。收集管道1外侧设置有保温层。

优选的，进气管道3为三通管，此时分离装置2和收集管道1均位于进气管道3的上端。

本发明还提供了一种利用上述含氢混合气体高温条件下氢同位素提取组件的抽取方法，如图2所示，其方法为：将分离装置2的电压调至1V～15V，将含氢混合气体的温度调至到450℃至650℃后通入进气管道3，并与分离装置2接触并进行反应，此时可观察到与法兰电极片221相连的直流电流密度约为1A/cm²，每小时每平方厘米可提取氢同位素气体1.8648×10^-2mol，被提纯的氢气进入收集管道1，剩余的含氢混合气体进入进气管道3另一端。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。