開始閱讀本文前，先要了解一個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)：氣體純度是以百分比表示，如99%、99.5%、99.9%、99.999%等，其中用“N”來表示數(shù)字“9”，如4N（99.99%）6N（99.9999%）7N（99.999%）4.8N（99.998%）5.5N（99.9995%）等。
燃料電池和制氫電解槽的氫氣純度分別是：
- 2019年7月實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池車用燃料氫氣》要求氫氣純度為99.97%?，就是4.7N及以上純度的氫氣都能很好地用在氫燃料電池上。
- PEM電解槽的產(chǎn)氫純度在4N左右，堿性電解槽產(chǎn)氫純度在3N左右，兩種制氫路線產(chǎn)出的氫氣經(jīng)純化后，可達(dá)5N及以上。
而超純氫氣是指純度等于或高于6N（99.9999%）的氫氣，主要用于半導(dǎo)體、高端電子、光纖等高精尖領(lǐng)域。
一、超純氫氣的制取
超純氫氣的制取方法有鈀膜分離、催化吸附、儲(chǔ)氫合金等。
1.催化吸附技術(shù)
利用特種催化劑，將氫氣中的雜質(zhì)選擇性吸附去除，制取超純氫氣?(低溫低能耗運(yùn)行)??針對(duì)氫氣組分不復(fù)雜、雜質(zhì)易吸附的場(chǎng)景，如電解水得到的氫氣，選擇性吸附去除氧和水?。
催化吸附的主要問題是：吸附劑更換、污染、再生、高溫失效；適用場(chǎng)景有限；能否達(dá)到9N級(jí)還有待檢驗(yàn)等。
做催化吸附的代表性企業(yè)有：意大利塞斯(SAES)、美國(guó)應(yīng)特格(Entcgris)、上海先普(SIMPURE)、沃洛達(dá)科技等。
2.鈀膜分離技術(shù)
利用金屬鈀膜對(duì)氫的溶解、擴(kuò)散和滲透特性，選擇性讓氫透過，實(shí)現(xiàn)氫氣與雜質(zhì)的分離??具有氫氣純度高(≥7N)、持久壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性和可靠性高、適用溫度范圍寬等優(yōu)勢(shì)。
使用場(chǎng)景：氫氣瓶/罐裝氫氣/現(xiàn)場(chǎng)制氫(電解水、天然氣制氫、甲醇重整制氫、氨裂解制氫…)?+鈀膜純化裝備。
鈀膜純化裝備：目前有三種類型的膜結(jié)構(gòu)：鈀管膜(國(guó)際最高水平)、鈀平板膜、Pd/多孔支撐體復(fù)合管膜。
| 膜類型 | 鈀管膜1? | 鈀管膜2? | 鈀平板膜? | 鈀/多孔支撐體 |
| 膜厚度?(μm) | 70-100 | 15~40 | ~5? | <15 |
| 制備方法 | 冶金加工 | 冶金加工 | 冶金加工 | 化學(xué)鍍 |
| 優(yōu)勢(shì) | 自支撐?穩(wěn)定性和可靠性高 | 穩(wěn)定性和可靠性高效率高 | 貴金屬鈀用量少?效率高 | 貴金屬鈀用量少?效率高 |
| 劣勢(shì) | 貴金屬鈀用量大(壁厚大），成本高、效率低? | 加工技術(shù)復(fù)雜、工序多，需要無結(jié)合支撐結(jié)構(gòu) | 需要無結(jié)合支撐結(jié)構(gòu)? | 穩(wěn)定性差，可靠性低 |
| 持久壽命? | >3?年 | >3?年 | ~?8000?h? | <?3000?h |
| 代表性企業(yè) | 意大利塞斯、美國(guó)應(yīng)特格 | 沃洛達(dá)節(jié)能科技有限公司 | 日本田中?JPC、大陽日酸 | 大連化物所，南工大，義烏銳勝 |
二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
超純氫氣純化裝備全球市場(chǎng)份額中，美國(guó)應(yīng)特格(Entcgris)公司占據(jù)首位，收購了賽斯吸氣劑(SAEs Gettαs)公司后，更是獲得了全球大部分氫氣純化裝備的市場(chǎng)。
其次是日本JPC和大陽日酸特氣公司。
國(guó)內(nèi)上海先普、大連華邦基于“催化吸附”技術(shù)的氫氣純化設(shè)備，在國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)有一定應(yīng)用。
四川普瑞曾代理意大利塞斯的鈀膜純化器，掌握大壁厚鈀管焊接技術(shù)，在潔凈儀表閥門方面也有積累。
越來越多的國(guó)外企業(yè)，不再向中國(guó)出口最先進(jìn)的基于鈀管膜的超純氫氣純化裝備，迫切需要國(guó)產(chǎn)替代。
三、超純氫氣的部分應(yīng)用
電子級(jí)多晶硅、SiC、GaN、大規(guī)模集成電路、光纖、LED、薄膜太陽能電池等加工制造過程需要使用?純度在7N及以上的超純氫氣，如電子級(jí)多晶硅：3000~7000 Nm3/h，LED：30-800 Nm3/h 。
MOCVD是GaN基大功率LED芯片、藍(lán)/綠/紫外高亮度發(fā)光二極管制造的主要技術(shù)。MOCVD設(shè)備主要?分為5大系列，對(duì)應(yīng)不同的薄膜沉積速率；不同系列設(shè)備所需的特種氣體流量不同(如表所示)，供氣方式?也不同。
Linde是目前全球LED生產(chǎn)所需特種氣體的主要供應(yīng)商。其中，氫氣純度要求7N級(jí)。
MPCVD即微波等離子體化學(xué)氣相沉積，其工作原理為通過微波源產(chǎn)生微波，在微波場(chǎng)的作用下，反應(yīng)氣體被激發(fā)為等離子體狀態(tài)。等離子體在襯底上沉積，外延生長(zhǎng)薄膜。
主要用于培育鉆、第三代半導(dǎo)體等的制備。一臺(tái)~5kW微波功率的MPCVD設(shè)備工作時(shí)，需要500 mL/min的9N級(jí)超純氫氣持續(xù)供應(yīng)。
來源：沃洛達(dá)科技有限公司
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：超純氫氣的制取及應(yīng)用
