[发明专利]基于核电站非能动氢气复合器催化板的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备方法，具体地说，是涉及基于核电站非能动氢气复合器催化板的制备方法。 

背景技术

核电装备的国产化和核电站的安全性能是我国核电建设中的重点。在核电站的安全设计中，氢气的燃烧爆炸是造成核电站安全壳受损进而导致核事故的主要原因之一。当安全壳内的氢气浓度过高时，通常会发生氢气的快速燃烧或者爆炸，进而有可能损坏相关设备和安全壳，从而造成大量放射性物质的泄露。美国三里岛核事故和日本福岛核事故都与氢安全风险有关。 

为了避免或降低核电站安全壳内氢气爆炸的风险，目前国际上和国内的二代和三代核电站均配置了相应的措施作为防范，其中一项重要措施便是在安全壳内分布放置数十个非能动氢气复合器，在设计基准事故和严重事故时不需外接能源，可自动启动，并将氢气浓度降低至安全水平以下。对于非能动氢气复合器，因其需要在高温、高压和高湿度的环境下正常运行，因而技术难度极大。    

我国的非能动氢气复合器主要从法国阿海珐公司进口，国内虽有研究，但由于前期不具备整机测试条件，无法进行复合器整机测试等多项分析，所研究的复合器水平较低，并且核心部件催化板还处于仿制阶段（仿制Siemens复合器）。对于催化板，核电站一般要求能够在常温常压、较低氢气浓度和高湿度条件下自动启动反应，单片催化板的尺寸一般需在100-2000cm²左右，单个复合器内大约放置10-200片催化板。

对于目前各国使用的氢气复合器，其催化板主要包括以下三类： 

（1）多孔陶瓷催化板

采用多孔氧化铝陶瓷颗粒作为载体，负载铑、铱、铜、铂等作为催化剂，然后用不锈钢丝网封装成催化板。

（2）不锈钢—多孔浆料制造催化板 

    首先将多孔氧化铝表面负载催化剂，然后制成浆料，涂覆于不锈钢板表面，最后再烧结成型。该方法的特点是不仅具有多孔载体，可以提高催化板的催化活性，还由于基体是不锈钢板，可以将耐受温度提升至900℃。

（3）纯贵金属催化板 

    采用含量为100%的铑、铱、铜、铂等金属或其合金膜作为催化板，厚度一般在微米级。或者在不锈钢板表面以等离子体喷涂或火焰灼烧的方式涂覆纯金属膜层，厚度一般也为微米级。

然而，由于非能动复合器催化板面对的运行环境苛刻，需要在高温（350℃）、高湿度（100%相对湿度）、大流量氢气和氧气冲刷、0.65MPa压强和杂质气体毒化等条件下稳定运行且保持一定的催化复合氢能力。上述的3种方法均各自存在着一定的问题，难以同时满足上述条件，且三种催化板的制造成本太高，以致难以大批量生产。存在的问题如下： 

（1）对于多孔陶瓷催化板，最大的问题就是耐热冲击性能差，当催化板经受高温——低温的温度变化冲击后，由于多孔陶瓷载体和表面负载的金属催化剂的热膨胀率不同，会使得催化剂层剥落，从而导致催化板失去作用。另外当催化板处于高温环境时，多孔载体还可能产生相变化，从而使多孔载体的比表面积缩小，降低催化板的催化性能，严重时也将使得催化板失去作用。

（2）对于不锈钢——多孔浆料催化板，这是目前国际上使用最多的一种催化板，包括Siemens复合器。该催化板虽然缓解了多孔陶瓷催化板的耐热冲击性能差和易发生相变的问题，但是也带来了新的问题——即多孔陶瓷层与不锈钢板基体的结合力问题，并且对于耐热冲击和相变问题也仅仅是起到一定的缓解。综合来说，该方法较方法（1）整体性能要好，但在更多的高低温热冲击和更高温度的情况下，仍然存在着由于热膨胀率不同导致不锈钢表面多孔陶瓷层开裂甚至剥落的问题，从而降低了催化板的催化性能，无法达到使用要求。 

（3）对于采用纯贵金属薄膜制得的催化板，虽然该催化板的催化性能较好，且无耐热冲击和基体相变问题，但由于制备工艺的限制，无法批量制备较薄的贵金属薄膜，其综合成本相当高，只能制作少量用于试验。对于在不锈钢板表面采用火焰灼烧或等离子体喷涂方法制造的催化板，则存在两类问题：一是难以大批量制造，如等离子体喷涂法，需要在真空或惰性气氛中进行，受限于设备的能力，难以大批量制造；二是为了获得相当于多孔陶瓷催化板的性能，需要在不锈钢板两面均负载较厚的贵金属层，成本较陶瓷催化板多出数倍，甚至数十倍，加上不成熟的批量工艺成本，整个催化板的制造成本则使得复合器的价格高昂，一般企业难以承受。 

因此，如何避免复合器催化板耐热冲击性差、高温下基体材料容易发生相变以及催化层开裂剥落便成为了一道急需攻克的难题。 

发明内容