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Purificación de hidrógeno

La purificación de hidrógeno es cualquier tecnología utilizada para purificar el hidrógeno . Las impurezas en el gas hidrógeno dependen de la fuente del 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 pilas de combustible de membrana de intercambio de protones . [1]

Tecnologías de purificación

Métodos de baja temperatura

La purificación a gran escala por defecto del H 2 producido en las refinerías de petróleo aprovecha su bajísimo punto de ebullición de -253 °C. La mayoría de las impurezas tienen puntos de ebullición muy por encima de esta temperatura. Los métodos de baja temperatura se pueden complementar con un lavado para eliminar impurezas particulares. [1]

Purificadores de hidrógeno con membrana de paladio

El hidrógeno se puede purificar pasando a través de una membrana compuesta de paladio y plata . Esta aleación con una ca. La relación 3:1 de Pd:Ag es más robusta estructuralmente que el Pd puro, que es el componente activo que permite la difusión selectiva de H 2 a través de él. La difusión es más rápida cerca de 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 densa de metal fino son compactos, relativamente económicos y fáciles de usar. [2] [3]

Adsorción por oscilación de presión

La adsorción por cambio de presión se utiliza para la eliminación de dióxido de carbono (CO 2 ) 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 metalorgánica en fase de vapor.

Los purificadores de hidrógeno se utilizan en reactores de epitaxia en fase de vapor organometálicos 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 impactan en PEMFC utilizando una variedad de mecanismos, que pueden incluir envenenar los catalizadores de la reacción de oxidación de hidrógeno del ánodo, reducir la conductividad iónica del ionómero y la membrana, alterar el comportamiento de humectación de los componentes o bloquear 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 del PEMFC se recupera una vez que se elimina el suministro de impurezas. Otras impurezas, por ejemplo compuestos sulfurosos, pueden provocar una degradación irreversible. [5] Los límites permisibles de impurezas de hidrógeno se muestran a continuación.

Se han realizado esfuerzos para evaluar la conformidad del hidrógeno suministrado por las estaciones de servicio 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 en el caso del 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 PEFMC, por lo que la norma ISO-14687 para impurezas permitidas es menos estricta. [10] Esta norma ha sido criticada con revisiones propuestas 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 trazas de oxígeno y agua. El hidrógeno producido durante el reformado de hidrocarburos contiene dióxido de carbono y monóxido de carbono, así como compuestos de azufre. [11] Algunas impurezas se pueden agregar deliberadamente, por ejemplo, olores para ayudar a la detección de fugas de gas. [13]

Métodos de análisis

Como las concentraciones permitidas para muchas impurezas son muy bajas, esto impone exigencias estrictas en cuanto a la sensibilidad de los métodos analíticos. Además, la alta reactividad de algunas impurezas requiere el uso de sistemas analíticos y de muestreo adecuadamente pasivados. [14] El muestreo de hidrógeno es un desafío y se debe tener cuidado para garantizar 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 para el muestreo, pero se basan en llenar un Cilindro de gas de la boquilla de repostaje de una estación de repostaje. [15] Se están realizando esfuerzos para estandarizar y comparar estrategias de muestreo. [16] [17] Se necesita una combinación de diferentes instrumentos para evaluar muestras de hidrógeno para todos los componentes enumerados en la norma 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]

Ver también

Referencias

  1. ^ abc Häussinger, Peter; Lohmüller, Reiner; Watson, Allan M. (2011). "Hidrógeno, 3. Purificación". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . 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". Revisión III-Vs . 19 (5): 19 de junio de 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 pilas de combustible de hidrógeno PEM: impactos, mecanismos y mitigación". Revista de fuentes de energía . 165 (2): 739–756. Código Bib : 2007JPS...165..739C. doi :10.1016/j.jpowsour.2006.12.012. S2CID  95246225.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  6. ^ "ISO 14687:2019" . Consultado el 18 de octubre de 2021 .
  7. ^ ab Aarhaug, Thor Anders; Kjos, Olé; Bacquart, Thomas; Valter, Vladimir; Optenhostert, Thomas (18 de agosto de 2021). "Evaluación de la calidad del hidrógeno dispensado para estaciones de servicio de hidrógeno en Europa". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . SISTEMAS ENERGÉTICOS DE HIDRÓGENO. 46 (57): 29501–29511. Código Bib : 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". Fronteras en la investigación energética . 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 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 olores de hidrógeno" (PDF) .
  14. ^ Bacquart, Thomas; Moore, Niamh; Hart, Nick; Morris, Abigail; Aarhaug, Thor A.; Kjos, Olé; Aupretre, Fabien; Colas, Thibault; Haloua, Frédérique; Gozlan, Bruno; Murugan, Arul (14 de febrero de 2020). "Muestreo de la calidad del hidrógeno en la estación de servicio de hidrógeno: lecciones aprendidas sobre el muestreo en la producción y en la boquilla". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 22ª Conferencia Mundial sobre la Energía del Hidrógeno. 45 (8): 5565–5576. Código Bib : 2020IJHE...45.5565B. doi :10.1016/j.ijhydene.2019.10.178. hdl : 11250/2689927 . ISSN  0360-3199. S2CID  213820032.
  15. ^ Arrhenius, Karine; Aarhaug, Thor; Bacquart, Thomas; Morris, Abigail; Bartlett, Sam; Wagner, Lisa; Rubio, Claire; Gozlan, Bruno; Lescornez, Yann; Chramosta, Nathalie; Spitta, cristiano (11 de octubre de 2021). "Estrategias para el muestreo de hidrógeno en estaciones de servicio para evaluación de pureza". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 46 (70): 34839–34853. Código Bib : 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 pilas 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; Marrón, Andrew S. (22 de marzo de 2015). "Revisión de los métodos de análisis de pureza para realizar el aseguramiento de la calidad del hidrógeno de pilas de combustible". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 40 (11): 4219–4233. Código Bib : 2015IJHE...40.4219M. doi :10.1016/j.ijhydene.2015.01.041. ISSN  0360-3199.
  19. ^ "Pureza del hidrógeno". Sitio web de NPL . 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, Andrés; Murugan, Arul; Bartlett, Sam (31 de diciembre de 2019). "Calidad del combustible de hidrógeno procedente de dos procesos de producción principales: reformado de metano con vapor y electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones". Revista de fuentes de energía . 444 : 227170. Código bibliográfico : 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. Código bibliográfico : 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. (2 de febrero de 2017). "Sensores de impurezas tipo bomba de hidrógeno para combustibles de hidrógeno". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 42 (5): 3281–3293. Código Bib : 2017IJHE...42.3281N. doi :10.1016/j.ijhydene.2016.12.066. ISSN  0360-3199.
  23. ^ "Sentido de hidrógeno". www.vandf.com . Consultado el 27 de octubre de 2021 .

enlaces externos