开始阅读本文前，先要了解一个基础知识：气体纯度是以百分比表示，如99%、99.5%、99.9%、99.999%等，其中用“N”来表示数字“9”，如4N（99.99%）6N（99.9999%）7N（99.999%）4.8N（99.998%）5.5N（99.9995%）等。
燃料电池和制氢电解槽的氢气纯度分别是：
- 2019年7月实施的国家标准GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池车用燃料氢气》要求氢气纯度为99.97% ，就是4.7N及以上纯度的氢气都能很好地用在氢燃料电池上。
- PEM电解槽的产氢纯度在4N左右，碱性电解槽产氢纯度在3N左右，两种制氢路线产出的氢气经纯化后，可达5N及以上。
而超纯氢气是指纯度等于或高于6N（99.9999%）的氢气，主要用于半导体、高端电子、光纤等高精尖领域。
一、超纯氢气的制取
超纯氢气的制取方法有钯膜分离、催化吸附、储氢合金等。
1.催化吸附技术
利用特种催化剂，将氢气中的杂质选择性吸附去除，制取超纯氢气 (低温低能耗运行) 针对氢气组分不复杂、杂质易吸附的场景，如电解水得到的氢气，选择性吸附去除氧和水 。
催化吸附的主要问题是：吸附剂更换、污染、再生、高温失效；适用场景有限；能否达到9N级还有待检验等。
做催化吸附的代表性企业有：意大利塞斯(SAES)、美国应特格(Entcgris)、上海先普(SIMPURE)、沃洛达科技等。
2.钯膜分离技术
利用金属钯膜对氢的溶解、扩散和渗透特性，选择性让氢透过，实现氢气与杂质的分离 具有氢气纯度高(≥7N)、持久寿命长、稳定性和可靠性高、适用温度范围宽等优势。
使用场景：氢气瓶/罐装氢气/现场制氢(电解水、天然气制氢、甲醇重整制氢、氨裂解制氢…) +钯膜纯化装备。
钯膜纯化装备：目前有三种类型的膜结构：钯管膜(国际最高水平)、钯平板膜、Pd/多孔支撑体复合管膜。
| 膜类型 | 钯管膜1 | 钯管膜2 | 钯平板膜 | 钯/多孔支撑体 |
| 膜厚度 (μm) | 70-100 | 15~40 | ~5 | <15 |
| 制备方法 | 冶金加工 | 冶金加工 | 冶金加工 | 化学镀 |
| 优势 | 自支撑 稳定性和可靠性高 | 稳定性和可靠性高效率高 | 贵金属钯用量少 效率高 | 贵金属钯用量少 效率高 |
| 劣势 | 贵金属钯用量大(壁厚大），成本高、效率低 | 加工技术复杂、工序多，需要无结合支撑结构 | 需要无结合支撑结构 | 稳定性差，可靠性低 |
| 持久寿命 | >3 年 | >3 年 | ~ 8000 h | < 3000 h |
| 代表性企业 | 意大利塞斯、美国应特格 | 沃洛达节能科技有限公司 | 日本田中 JPC、大阳日酸 | 大连化物所，南工大，义乌锐胜 |
二、国内外发展现状
超纯氢气纯化装备全球市场份额中，美国应特格(Entcgris)公司占据首位，收购了赛斯吸气剂(SAEs Gettαs)公司后，更是获得了全球大部分氢气纯化装备的市场。
其次是日本JPC和大阳日酸特气公司。
国内上海先普、大连华邦基于“催化吸附”技术的氢气纯化设备，在国内半导体企业有一定应用。
四川普瑞曾代理意大利塞斯的钯膜纯化器，掌握大壁厚钯管焊接技术，在洁净仪表阀门方面也有积累。
越来越多的国外企业，不再向中国出口最先进的基于钯管膜的超纯氢气纯化装备，迫切需要国产替代。
三、超纯氢气的部分应用
电子级多晶硅、SiC、GaN、大规模集成电路、光纤、LED、薄膜太阳能电池等加工制造过程需要使用 纯度在7N及以上的超纯氢气，如电子级多晶硅：3000~7000 Nm3/h，LED：30-800 Nm3/h 。
MOCVD是GaN基大功率LED芯片、蓝/绿/紫外高亮度发光二极管制造的主要技术。MOCVD设备主要 分为5大系列，对应不同的薄膜沉积速率；不同系列设备所需的特种气体流量不同(如表所示)，供气方式 也不同。
Linde是目前全球LED生产所需特种气体的主要供应商。其中，氢气纯度要求7N级。
MPCVD即微波等离子体化学气相沉积，其工作原理为通过微波源产生微波，在微波场的作用下，反应气体被激发为等离子体状态。等离子体在衬底上沉积，外延生长薄膜。
主要用于培育钻、第三代半导体等的制备。一台~5kW微波功率的MPCVD设备工作时，需要500 mL/min的9N级超纯氢气持续供应。
来源：沃洛达科技有限公司
原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：超纯氢气的制取及应用
