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Purificación de hidrógeno

La purificación de hidrógeno es cualquier tecnología utilizada para purificar hidrógeno . Las impurezas del gas hidrógeno dependen de la fuente de H2, por ejemplo, petróleo, carbón, electrólisis, etc. La pureza requerida está determinada por la aplicación del gas hidrógeno. Por ejemplo, se necesita hidrógeno ultrapurificado para aplicaciones como las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones . [1]

Tecnologías de purificación

Métodos de baja temperatura

La purificación a gran escala del H2 producido en las refinerías de petróleo aprovecha su punto de ebullición muy bajo de -253 °C. La mayoría de las impurezas tienen puntos de ebullición muy superiores a esta temperatura. Los métodos de baja temperatura se pueden complementar con un lavado para eliminar impurezas específicas. [1]

Purificadores de hidrógeno con membrana de paladio

El hidrógeno se puede purificar al pasar a través de una membrana compuesta de paladio y plata . Esta aleación con una relación de Pd:Ag de aproximadamente 3:1 es más robusta estructuralmente que el Pd puro, que es el componente activo que permite la difusión selectiva de H 2 a través de ella. La difusión es más rápida cerca de los 300 °C. Este método se ha utilizado para la purificación de hidrógeno a escala de laboratorio, pero no en la industria. Las membranas de plata-paladio son inestables frente a los alquenos y los compuestos que contienen azufre. [1]

Los purificadores de membrana de metal fino y denso son compactos, relativamente económicos y fáciles de usar. [2] [3]

Adsorción por oscilación de presión

La adsorción por oscilación de presión se utiliza para la eliminación de dióxido de carbono (CO2 ) como paso final en la síntesis comercial a gran escala de hidrógeno . También puede eliminar metano , monóxido de carbono , nitrógeno , humedad y, en algunos casos, argón , del hidrógeno.

Aplicaciones

Epitaxia en fase de vapor de compuestos organometálicos

Los purificadores de hidrógeno se utilizan en reactores de epitaxia en fase de vapor metalorgánico para la producción de LED . [4]

Pilas de combustible PEM

Los vehículos eléctricos de pila de combustible suelen utilizar pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEMFC) que son susceptibles a una variedad de impurezas. Las impurezas afectan a las PEMFC mediante una variedad de mecanismos, que pueden incluir el envenenamiento de los catalizadores de reacción de oxidación de hidrógeno del ánodo, la reducción de la conductividad iónica del ionómero y la membrana, la alteración del comportamiento de humectación de los componentes o el bloqueo de la porosidad en los medios de difusión. El impacto de algunas impurezas como el monóxido de carbono , el ácido fórmico o el formaldehído es reversible y el rendimiento de las PEMFC se recupera una vez que se elimina el suministro de impurezas. Otras impurezas, por ejemplo, los compuestos sulfurosos, pueden causar una degradación irreversible. [5] Los límites permisibles de impurezas de hidrógeno se muestran a continuación.

Se han realizado esfuerzos para evaluar el cumplimiento del hidrógeno suministrado por las estaciones de servicio de hidrógeno con la norma ISO-14687. [7] [8] [9] Si bien en general se consideró que el hidrógeno era "bueno", [7] se han informado violaciones de la norma, con mayor frecuencia para el nitrógeno, el agua y el oxígeno.

Motores y aparatos de combustión

Las aplicaciones de combustión son generalmente más tolerantes a las impurezas de hidrógeno que las PEFMC, por lo que la norma ISO-14687 para impurezas permisibles es menos estricta. [10] Esta norma ha sido criticada y se han propuesto revisiones para hacerla más indulgente y, por lo tanto, adecuada para el hidrógeno distribuido a través de una red de gas reutilizada. [11]

Fuentes de impurezas

La presencia de impurezas en el hidrógeno depende de la materia prima y del proceso de producción. El hidrógeno producido por electrólisis del agua puede incluir habitualmente trazas de oxígeno y agua. El hidrógeno producido por reformado de hidrocarburos contiene dióxido de carbono y monóxido de carbono, así como compuestos de azufre. [11] Algunas impurezas pueden añadirse deliberadamente, por ejemplo, odorantes para facilitar la detección de fugas de gas. [13]

Métodos de análisis

Como las concentraciones permisibles para muchas impurezas son muy bajas, esto establece exigencias estrictas en cuanto a la sensibilidad de los métodos analíticos. Además, la alta reactividad de algunas impurezas requiere el uso de un muestreo y sistemas analíticos adecuadamente pasivados. [14] El muestreo de hidrógeno es un desafío y se debe tener cuidado para asegurar que no se introduzcan impurezas en la muestra y que las impurezas no se absorban ni reaccionen dentro del equipo de muestreo; actualmente existen diferentes métodos de muestreo, pero se basan en llenar un cilindro de gas desde la boquilla de reabastecimiento de combustible de una estación de servicio. [15] Se están realizando esfuerzos para estandarizar y comparar las estrategias de muestreo. [16] [17] Se necesita una combinación de diferentes instrumentos para evaluar las muestras de hidrógeno para todos los componentes enumerados en ISO 14687-2. [18] Las técnicas adecuadas para impurezas individuales se indican en la siguiente tabla.

Técnicas como sensores electroquímicos [21] [22] y espectrometría de masas. [23]

Véase también

Referencias

  1. ^ abc Häussinger, Peter; Lohmüller, Reiner; Watson, Allan M. (2011). "Hidrógeno, 3. Purificación". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . doi :10.1002/14356007.o13_o04. ISBN 978-3-527-30385-4.
  2. ^ Membranas de purificación de hidrógeno
  3. ^ Membranas metálicas densas para purificar hidrógeno
  4. ^ "Los purificadores de hidrógeno resultan vitales para la producción de LED". III-Vs Review . 19 (5): 19. Junio ​​2006. doi : 10.1016/S0961-1290(06)71698-2 .
  5. ^ X. Cheng, Z. Shi, N. Glass, L. Zhang, J. Zhang, D. Song, Z.-S. Liu, H. Wang y J. Shen (2007). "Una revisión de la contaminación de las celdas de combustible de hidrógeno PEM: impactos, mecanismos y mitigación". Journal of Power Sources . 165 (2): 739–756. Bibcode :2007JPS...165..739C. doi :10.1016/j.jpowsour.2006.12.012. S2CID  95246225.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  6. ^ "ISO 14687:2019" . Consultado el 18 de octubre de 2021 .
  7. ^ ab Aarhaug, Thor Anders; Kjos, Ole; Bacquart, Thomas; Valter, Vladimir; Optenhostert, Thomas (18 de agosto de 2021). "Evaluación de la calidad del hidrógeno dispensado en las estaciones de servicio de hidrógeno en Europa". Revista internacional de energía del hidrógeno . SISTEMAS DE ENERGÍA DEL HIDRÓGENO. 46 (57): 29501–29511. Bibcode :2021IJHE...4629501A. doi : 10.1016/j.ijhydene.2020.11.163 . hdl : 11250/3025287 . ISSN  0360-3199. S2CID  230535934.
  8. ^ Aarhaug, Thor A.; Kjos, Ole S.; Ferber, Alain; Hsu, Jong Pyong; Bacquart, Thomas (2020). "Mapeo de la calidad del combustible de hidrógeno en Europa". Frontiers in Energy Research . 8 : 307. doi : 10.3389/fenrg.2020.585334 . hdl : 11250/2770289 . ISSN  2296-598X.
  9. ^ "Informe público de HYDRAITE D3.1 | HYDRAITE" . Consultado el 18 de octubre de 2021 .
  10. ^ "ISO 14687:2019" . Consultado el 18 de octubre de 2021 .
  11. ^ ab "Informe WP2 sobre pureza del hidrógeno". Hy4Heat . Consultado el 18 de octubre de 2021 .
  12. ^ "ISO 14687:2019" . Consultado el 18 de octubre de 2021 .
  13. ^ "Informe de cierre del proyecto de detección de fugas y odorización de hidrógeno" (PDF) .
  14. ^ Bacquart, Thomas; Moore, Niamh; Hart, Nick; Morris, Abigail; Aarhaug, Thor A.; Kjos, Ole; Aupretre, Fabien; Colas, Thibault; Haloua, Frederique; Gozlan, Bruno; Murugan, Arul (14 de febrero de 2020). "Muestreo de la calidad del hidrógeno en la estación de reabastecimiento de hidrógeno: lecciones aprendidas sobre el muestreo en la producción y en la boquilla". Revista internacional de energía del hidrógeno . 22.ª Conferencia mundial sobre energía del hidrógeno. 45 (8): 5565–5576. Bibcode :2020IJHE...45.5565B. doi :10.1016/j.ijhydene.2019.10.178. hdl : 11250/2689927 . ISSN  0360-3199. Número de identificación del sujeto  213820032.
  15. ^ Arrhenius, Karine; Aarhaug, Thor; Bacquart, Thomas; Morris, Abigail; Bartlett, Sam; Wagner, Lisa; Blondeel, Claire; Gozlan, Bruno; Lescornez, Yann; Chramosta, Nathalie; Spitta, Christian (11 de octubre de 2021). "Estrategias para el muestreo de hidrógeno en estaciones de servicio para la evaluación de la pureza". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 46 (70): 34839–34853. Bibcode :2021IJHE...4634839A. doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.08.043 . hdl : 11250/3010363 . ISSN  0360-3199. S2CID  239636011.
  16. ^ Práctica para el muestreo de hidrógeno a alta presión y gases de alimentación de celdas de combustible relacionados, ASTM International, doi :10.1520/d7606-17 , consultado el 1 de noviembre de 2021
  17. ^ DIN ISO/TS 22002-3:2017-09 , consultado el 1 de noviembre de 2021
  18. ^ Murugan, Arul; Brown, Andrew S. (22 de marzo de 2015). "Revisión de los métodos de análisis de pureza para realizar el control de calidad del hidrógeno de las pilas de combustible". Revista internacional de energía del hidrógeno . 40 (11): 4219–4233. Bibcode :2015IJHE...40.4219M. doi :10.1016/j.ijhydene.2015.01.041. ISSN  0360-3199.
  19. ^ "Pureza del hidrógeno". NPLWebsite . Consultado el 18 de octubre de 2021 .
  20. ^ Bacquart, Thomas; Arrhenius, Karine; Persijn, Stefan; Rojo, Andrés; Auprêtre, Fabien; Gozlan, Bruno; Moore, Niamh; Morris, Abigail; Fischer, Andreas; Murugan, Arul; Bartlett, Sam (31 de diciembre de 2019). "Calidad del combustible de hidrógeno a partir de dos procesos de producción principales: reformado de metano con vapor y electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones". Journal of Power Sources . 444 : 227170. Bibcode :2019JPS...44427170B. doi : 10.1016/j.jpowsour.2019.227170 . ISSN  0378-7753. S2CID  208754564.
  21. ^ Mukundan, Rangachary (2020). "Desarrollo de un detector electroquímico de contaminantes de hidrógeno". Revista de la Sociedad Electroquímica . 167 (14): 147507. Bibcode :2020JElS..167n7507M. doi : 10.1149/1945-7111/abc43a . S2CID  226341724.
  22. ^ Noda, Z.; Hirata, K.; Hayashi, A.; Takahashi, T.; Nakazato, N.; Saigusa, K.; Seo, A.; Suzuki, K.; Ariura, S.; Shinkai, H.; Sasaki, K. (2017-02-02). "Sensores de impurezas de tipo bomba de hidrógeno para combustibles de hidrógeno". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 42 (5): 3281–3293. Bibcode :2017IJHE...42.3281N. doi :10.1016/j.ijhydene.2016.12.066. ISSN  0360-3199.
  23. ^ "HydrogenSense". www.vandf.com . Consultado el 27 de octubre de 2021 .[ enlace muerto permanente ]

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