Очистка водорода
Очистка водорода — это любая технология, используемая для очистки водорода . Содержание примесей в газообразном водороде зависит от источника H2, например, нефти, угля, электролиза и т. д. Требуемая чистота определяется применением газообразного водорода. Например, водород сверхвысокой очистки необходим для таких применений, как топливные элементы с протонообменной мембраной . [1]
Технологии очистки
[ редактировать ]Низкотемпературные методы
[ редактировать ]Стандартная крупномасштабная очистка H 2 , производимого на нефтеперерабатывающих заводах, использует его очень низкую температуру кипения -253 °C. Большинство примесей имеют температуру кипения, значительно превышающую эту температуру. Низкотемпературные методы можно дополнить очисткой для удаления определенных примесей. [1]
Очистители водорода с палладиевой мембраной
[ редактировать ]Водород можно очистить, пропуская его через мембрану, состоящую из палладия и серебра . Этот сплав с ок. Соотношение 3:1 для Pd:Ag является более устойчивым к структуре, чем чистый Pd, который является активным компонентом, обеспечивающим селективную диффузию H 2 через него. Диффузия происходит быстрее при температуре около 300 ° C. Этот метод использовался для очистки водорода в лабораторных масштабах, но не в промышленности. Серебряно-палладиевые мембраны неустойчивы по отношению к алкенам и серосодержащим соединениям. [1]
Плотные тонкометаллические мембранные очистители компактны, относительно недороги и просты в использовании. [2] [3]
Адсорбция при переменном давлении
[ редактировать ]Адсорбция при переменном давлении используется для удаления диоксида углерода (CO 2 ) в качестве заключительного этапа крупномасштабного промышленного синтеза водорода . Он также может удалять метан , окись углерода , азот , влагу и, в некоторых случаях, аргон из водорода.
Приложения
[ редактировать ]Металлоорганическая парофазная эпитаксия
[ редактировать ]Очистители водорода используются в реакторах газофазной эпитаксии металлорганических соединений при производстве светодиодов . [4]
топливные элементы ПОМ
[ редактировать ]В электромобилях на топливных элементах обычно используются топливные элементы с мембраной из полимерного электролита (PEMFC), которые чувствительны к ряду примесей. Примеси влияют на PEMFC по ряду механизмов, в том числе отравление анодных катализаторов реакции окисления водорода, снижение ионной проводимости иономера и мембраны, изменение смачивающих свойств компонентов или блокирование пористости в диффузионных средах. Воздействие некоторых примесей, таких как окись углерода , муравьиная кислота или формальдегид , обратимо: производительность PEMFC восстанавливается после удаления примесей. Другие примеси, например соединения серы, могут вызвать необратимую деградацию. [5] Допустимые пределы содержания примесей водорода указаны ниже.
| Максимально допустимая концентрация / мкмоль-моль −1 | |
|---|---|
| Всего неводородных газов | 300 |
| Вода | 5 |
| Всего углеводородов, кроме метана [атом углерода] | 2 |
| Метан | 100 |
| Кислород | 5 |
| Гелий | 300 |
| Азот | 300 |
| Аргон | 300 |
| Углекислый газ | 2 |
| Окись углерода | 0.2 |
| Общие соединения серы [атом серы] | 0.004 |
| Формальдегид | 0.2 |
| Муравьиная кислота | 0.2 |
| Аммиак | 0.1 |
| Галогенированные соединения [галоген-ионная основа] | 0.05 |
| Максимальная концентрация твердых частиц | 1 мг кг −1 |
Были предприняты усилия по оценке соответствия водорода, поставляемого водородными заправочными станциями, стандарту ISO-14687. [7] [8] [9] Хотя водород в целом оказался «хорошим», [7] Сообщалось о нарушениях стандарта, чаще всего по азоту, воде и кислороду.
Двигатели внутреннего сгорания и оборудование
[ редактировать ]Приложения для сжигания, как правило, более терпимы к примесям водорода, чем PEFMC, поэтому стандарт ISO-14687 для допустимых примесей менее строгий. [10] Этот стандарт сам подвергся критике, и были предложены поправки, чтобы сделать его более мягким и, следовательно, подходящим для водорода, распределяемого через перепрофилированную газовую сеть. [11]
| Примесь | Максимально допустимая концентрация / мкмоль-моль −1 |
|---|---|
| Всего неводородных газов | 20 000 |
| Вода | без конденсации |
| Всего углеводородов [атом углерода] | 100 |
| Окись углерода | 1 |
| Сера [основа атома серы] | 2 |
| Комбинированная вода, кислород, азот, аргон | 19 000 |
| Постоянные частицы | Не должно содержать количества, достаточного для нанесения ущерба. |
Источники примесей
[ редактировать ]Наличие примесей в водороде зависит от сырья и процесса производства. Водород, получаемый электролизом воды, обычно может содержать следы кислорода и воды. Водород, получаемый риформингом углеводородов, содержит углекислый и монооксид углерода, а также соединения серы. [11] Некоторые примеси могут быть добавлены намеренно, например, одоранты, чтобы облегчить обнаружение утечек газа. [13]
Методы анализа
[ редактировать ]Поскольку допустимые концентрации многих примесей очень низкие, это предъявляет жесткие требования к чувствительности аналитических методов. Более того, высокая реакционная способность некоторых примесей требует использования правильно пассивированных пробоотборных и аналитических систем. [14] Отбор проб водорода представляет собой сложную задачу, и необходимо позаботиться о том, чтобы примеси не попадали в пробу, а также чтобы примеси не абсорбировались и не вступали в реакцию внутри оборудования для отбора проб. В настоящее время существуют разные методы отбора проб, но они основаны на заполнении газового баллона из заправочная форсунка заправочной станции. [15] В настоящее время предпринимаются усилия по стандартизации и сравнению стратегий выборки. [16] [17] Для оценки проб водорода на содержание всех компонентов, перечисленных в ISO 14687-2, необходима комбинация различных приборов. [18] Методики, подходящие для отдельных примесей, указаны в таблице ниже.
| Примесь | Возможные аналитические методы | Пределы обнаружения |
|---|---|---|
| Всего неводородных газов | ||
| Вода | Кварцевые микровесы
или CRDS |
1,3 или 0,030 |
| Всего углеводородов, кроме метана [атом углерода] | ГХ-Метанизатор-ПИД | 0.1 |
| Метан | ГХ-Метанизатор-ПИД, ГХ-ЭПД | 0.1 |
| Кислород | ГХ-ПДГИД, ГХ-ЭПД | 0.3 |
| Гелий | GC-TCD | 10 |
| Азот | ГХ-ПДГИД, ГХ-ЭПД | 1 |
| Аргон | ГХ-ПДГИД, ГХ-ЭПД | 0.3 |
| Углекислый газ | ГХ-Метанизатор-ПИД, ГХ-ЭПД | 0.02 |
| Окись углерода | ГХ-Метанизатор-ПИД, ГХ-ЭПД | 0.02 |
| Общие соединения серы [атом серы] | ГХ-СКД, ГХ-ЭПД | 0.001 |
| Формальдегид | ГХ-Метанизатор-ПИД | 0.1 |
| Муравьиная кислота | FTIR | 0.2 |
| Аммиак | ГХ-МС или УФ-видимая спектроскопия или FTIR | 1 или 0,03 или 0,1 |
| Галогенированные соединения (эквивалент ионов галогенов) | ТД-ГХ-МС | 0.016 |
Такие методы, как электрохимические датчики. [21] [22] и масс-спектрометрия. [23]
См. также
[ редактировать ]- Разделение газов
- Водородная щепотка
- Мембранное разделение газов
- Мембранный реактор
- 45 Home Power # 67 • Октябрь / ноябрь 1998 г. (домашние электролизеры)
- Водородная станция
- Водородное топливо
- Топливный элемент с протонообменной мембраной
- Проект МетроХиВе2
- Гидраитовый проект
- Национальная физическая лаборатория чистоты водорода
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Хойссингер, Питер; Ломюллер, Райнер; Уотсон, Аллан М. (2011). «Водород, 3. Очистка». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.o13_o04 . ISBN 978-3-527-30385-4 .
- ^ Мембраны для очистки водорода
- ^ Плотные металлические мембраны для очистки водорода.
- ^ «Очистители водорода жизненно необходимы для производства светодиодов» . Обзор III-Vs . 19 (5): 19 июня 2006 г. doi : 10.1016/S0961-1290(06)71698-2 .
- ^ С. Ченг, З. Ши, Н. Гласс, Л. Чжан, Дж. Чжан, Д. Сун, З.-С. Лю, Х. Ван и Дж. Шен (2007). «Обзор загрязнения водородных топливных элементов PEM: воздействие, механизмы и смягчение последствий». Журнал источников энергии . 165 (2): 739–756. Бибкод : 2007JPS...165..739C . дои : 10.1016/j.jpowsour.2006.12.012 . S2CID 95246225 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «ИСО 14687:2019» . Проверено 18 октября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б Архауг, Тор Андерс; Кьос, Оле; Баккар, Томас; Вальтер, Владимир; Оптенхостерт, Томас (18 августа 2021 г.). «Оценка качества водорода, отпускаемого на водородные заправочные станции Европы» . Международный журнал водородной энергетики . ВОДОРОДНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. 46 (57): 29501–29511. Бибкод : 2021IJHE...4629501A . doi : 10.1016/j.ijhydene.2020.11.163 . hdl : 11250/3025287 . ISSN 0360-3199 . S2CID 230535934 .
- ^ Архауг, Тор А.; Кьос, Оле С.; Фербер, Ален; Сюй, Чон Пён; Баккар, Томас (2020). «Картирование качества водородного топлива в Европе» . Границы энергетических исследований . 8 : 307. дои : 10.3389/fenrg.2020.585334 . HDL : 11250/2770289 . ISSN 2296-598X .
- ^ «Публичный отчет ГИДРАЙТ D3.1 | ГИДРАЙТ» . Проверено 18 октября 2021 г.
- ^ «ИСО 14687:2019» . Проверено 18 октября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Отчет WP2 о чистоте водорода» . Hy4Heat . Проверено 18 октября 2021 г.
- ^ «ИСО 14687:2019» . Проверено 18 октября 2021 г.
- ^ «Отчет о закрытии проекта по одоранту водорода и обнаружению утечек» (PDF) .
- ^ Баккар, Томас; Мур, Ниам; Харт, Ник; Моррис, Эбигейл; Архауг, Тор А.; Кьос, Оле; Опретр, Фабьен; Колас, Тибо; Халуа, Фредерик; Гозлан, Бруно; Муруган, Арул (14 февраля 2020 г.). «Отбор проб качества водорода на водородной заправочной станции – уроки, извлеченные из отбора проб на производстве и на форсунке» . Международный журнал водородной энергетики . 22-я Всемирная конференция по водородной энергетике. 45 (8): 5565–5576. Бибкод : 2020IJHE...45.5565B . doi : 10.1016/j.ijhydene.2019.10.178 . HDL : 11250/2689927 . ISSN 0360-3199 . S2CID 213820032 .
- ^ Аррениус, Карин; Архауг, Тор; Баккар, Томас; Моррис, Эбигейл; Бартлетт, Сэм; Вагнер, Лиза; Блондель, Клэр; Гозлан, Бруно; Лескорне, Янн; Храмоста, Натали; Спитта, Кристиан (11 октября 2021 г.). «Стратегии отбора проб водорода на заправочных станциях для оценки чистоты» . Международный журнал водородной энергетики . 46 (70): 34839–34853. Бибкод : 2021IJHE...4634839A . doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.08.043 . HDL : 11250/3010363 . ISSN 0360-3199 . S2CID 239636011 .
- ^ Практика отбора проб водорода высокого давления и связанных с ним газов питания топливных элементов , ASTM International, номер документа : 10.1520/d7606-17 , получено 1 ноября 2021 г.
- ^ DIN ISO/TS 22002-3:2017-09 , получено 1 ноября 2021 г.
- ^ Муруган, Арул; Браун, Эндрю С. (22 марта 2015 г.). «Обзор методов анализа чистоты для обеспечения качества водорода топливных элементов» . Международный журнал водородной энергетики . 40 (11): 4219–4233. Бибкод : 2015IJHE...40.4219M . doi : 10.1016/j.ijhydene.2015.01.041 . ISSN 0360-3199 .
- ^ «Чистота водорода» . Сайт НПЛ . Проверено 18 октября 2021 г.
- ^ Баккар, Томас; Аррениус, Карин; Персейн, Стефан; Рохо, Андрес; Опретр, Фабьен; Гозлан, Бруно; Мур, Ниам; Моррис, Эбигейл; Фишер, Андреас; Муруган, Арул; Бартлетт, Сэм (31 декабря 2019 г.). «Качество водородного топлива в результате двух основных производственных процессов: паровой конверсии метана и электролиза воды с протонообменной мембраной» . Журнал источников энергии . 444 : 227170. Бибкод : 2019JPS...44427170B . дои : 10.1016/j.jpowsour.2019.227170 . ISSN 0378-7753 . S2CID 208754564 .
- ^ Мукундан, Рангачари (2020). «Разработка электрохимического детектора водородных примесей» . Журнал Электрохимического общества . 167 (14): 147507. Бибкод : 2020JElS..167n7507M . дои : 10.1149/1945-7111/abc43a . S2CID 226341724 .
- ^ Нода, З.; Хирата, К.; Хаяши, А.; Такахаши, Т.; Наказато, Н.; Сайгуса, К.; Со, А.; Сузуки, К.; Ариура, С.; Синкай, Х.; Сасаки, К. (2 февраля 2017 г.). «Датчики примесей водородного насосного типа для водородных топлив» . Международный журнал водородной энергетики . 42 (5): 3281–3293. Бибкод : 2017IJHE...42.3281N . doi : 10.1016/j.ijhydene.2016.12.066 . ISSN 0360-3199 .
- ^ «Водородсенс» . www.vandf.com . Проверено 27 октября 2021 г.