Очистка металлов, производство удобрений и питание топливных элементов для тяжелых транспортных средств — все эти процессы требуют очищенного водорода. Но очистка или отделение этого водорода от смеси других газов может быть сложной задачей в несколько этапов. Исследовательская группа во главе с Крисом Арджесом, адъюнкт-профессором химического машиностроения штата Пенсильвания, продемонстрировала, что процесс можно упростить с помощью насоса, оснащенного недавно разработанными мембранными материалами.
Исследователи использовали электрохимический водородный насос как для отделения, так и для сжатия водорода с коэффициентом извлечения 85% из смесей топливных газов, известных как синтетический газ, и коэффициентом извлечения 98,8% из выходного потока обычного реактора конверсии водяного газа — это самое высокое зарегистрированное значение. Команда подробно описала свой подход в письмах ACS Energy Letters.
По словам Арджеса, в традиционных методах разделения водорода используется реактор конверсии водяного газа, который включает дополнительную стадию. Реактор конверсии водяного газа сначала преобразует монооксид углерода в диоксид углерода, который затем направляется в процесс абсорбции для отделения от него водорода. Затем очищенный водород подвергается давлению с помощью компрессора для немедленного использования или хранения.
Ключевым моментом, по словам Арджеса, является использование высокотемпературных, протон-селективных полимерных электролитных мембран, или PEM, которые могут быстро и экономично отделять водород от двуокиси углерода и монооксида углерода и других газовых молекул. Электрохимический насос, оснащенный PEM и другими новыми материалами более эффективен, чем традиционные методы, поскольку он одновременно отделяет и сжимает водород из газовых смесей. Он также может работать при температурах от 200 до 250 градусов Цельсия, что на 20-70 градусов выше, чем у других высокотемпературных электрохимических насосов типа PEM, что улучшает его способность отделять водород от нежелательных газов.
«Это эффективный и потенциально экономичный способ очистки водорода, особенно при большом содержании монооксида углерода», — сказал Арджес. «Никто никогда не очищал водород до такой степени с помощью газового сырья, содержащего более 3% монооксида углерода, с помощью электрохимического водородного насоса, и мы достигли этого со смесями, которые содержат до 40% монооксида углерода, используя относительно новый класс высокотемпературных ПЭМ и электродных иономерных связующих материалов».
Чтобы провести разделение, команда Арджеса создала «бутерброд» электродов, где электроды с противоположными зарядами образуют «хлеб», а мембрана — «мясной деликатес». Иономерные связующие материалы для электродов предназначены для удержания электродов вместе, как глютен в хлебе.
В насосе положительно заряженный электрод или ломтик хлеба расщепляет водород на два протона и два электрона. Протоны проходят через мембрану, или деликатес, в то время как электроны перемещаются наружу через насос, используя провод, который касается положительно заряженного электрода. Затем протоны проходят через мембрану к отрицательно заряженному электроду и рекомбинируют с электронами, вновь образуя водород.
По словам Арджеса, PEM работает, позволяя проходить протонам, но предотвращая прохождение более крупных молекул окиси углерода, двуокиси углерода, метана и азота. Чтобы электроды эффективно работали в водородном насосе, Арджес и его команда синтезировали специальное связующее из иономера фосфоновой кислоты, которое действует как клей, удерживая частицы электрода вместе.
«Связующее эффективно для изготовления механически прочного пористого электрода, который позволяет транспортировать газ, поэтому водород может реагировать на поверхности электрокатализатора, а также перемещать протоны к мембране и обратно», — сказал Арджес.
Исследователи планируют изучить, как их подход и инструменты помогут в очистке водорода при хранении в существующих трубопроводах природного газа. Распределение и хранение водорода таким образом никогда не осуществлялось, но, по словам Арджеса, представляет большой интерес. Он объяснил, что водород может помочь в выработке электроэнергии с помощью топливных элементов или турбогенератора для поддержки систем на основе солнечной или ветровой энергии и множества более устойчивых приложений.
«Проблема заключается в том, что водород должен храниться в трубопроводе при низких концентрациях — менее 5% — потому что он может повредить трубопровод, но для конечных применений требуется водород с чистотой более 99%», — сказал Арджес.
Дополнительная информация: Гокул Венугопалан и др., Электрохимическая откачка для сложного разделения водорода, Письма ACS Energy (2022 г.). DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02853
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com