การทำให้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์
การทำให้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์คือเทคโนโลยีใดๆ ที่ใช้ในการทำให้ไฮโดรเจน บริสุทธิ์ สิ่งเจือปนในก๊าซไฮโดรเจนขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของ H2 เช่น ปิโตรเลียม ถ่านหิน การแยกด้วยไฟฟ้า เป็นต้น ความบริสุทธิ์ที่ต้องการจะถูกกำหนดโดยการใช้งานของก๊าซไฮโดรเจน ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนบริสุทธิ์สูงมากเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานเช่นเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน[ 1 ]
เทคโนโลยีการทำให้บริสุทธิ์
วิธีการอุณหภูมิต่ำ
การทำให้บริสุทธิ์ H2 ขนาดใหญ่ตามค่าเริ่มต้นผลิตในโรงกลั่นน้ำมัน ใช้ประโยชน์จาก จุดเดือดที่ต่ำมากที่ −253 °C สารปนเปื้อนส่วนใหญ่มีจุดเดือดสูงกว่าอุณหภูมินี้มาก วิธีการที่อุณหภูมิต่ำสามารถเสริมด้วยการขัดถูเพื่อกำจัดสารปนเปื้อนบางชนิด[ 1 ]
เครื่องกรองไฮโดรเจนแบบเมมเบรนแพลเลเดียม
ไฮโดรเจนสามารถทำให้บริสุทธิ์ได้โดยการผ่านเยื่อที่ประกอบด้วยแพลเลเดียมและเงินการซึมผ่านของแพลเลเดียมต่อไฮโดรเจนถูกค้นพบในช่วงทศวรรษ 1860 [ 2 ]โลหะผสมที่มีอัตราส่วน Pd:Ag ประมาณ 3:1 มีความแข็งแรงทางโครงสร้างมากกว่าแพลเลเดียมบริสุทธิ์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่ออกฤทธิ์ที่ช่วยให้ H2 แพร่กระจายผ่านได้อย่างเลือกสรรอุณหภูมิประมาณ 300 °C วิธีนี้ถูกนำมาใช้ในการทำให้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ในระดับห้องปฏิบัติการ แต่ยังไม่เคยใช้ในอุตสาหกรรม เยื่อเงิน-แพลเลเดียมไม่เสถียรต่อแอลคีนและสารประกอบที่มีกำมะถัน[ 1 ]
เครื่องกรองเมมเบรนโลหะบางที่มีความหนาแน่นสูงนั้นมีขนาดกะทัดรัด ราคาไม่แพง และใช้งานง่าย[ 3 ] [ 4 ]
การดูดซับแบบสวิงความดัน
การ ดูด ซับแบบสลับความ ดัน(Pressure swing adsorption)ถูกนำมาใช้ในการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ไฮโดรเจนเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ นอกจากนี้ยังสามารถกำจัดมีเทนคาร์บอนมอนอกไซด์ไนโตรเจนความชื้น และในบางกรณีอาร์กอนออกจากไฮโดรเจน ได้อีกด้วย
แอปพลิเคชัน
การปลูกผลึกแบบไอระเหยของโลหะอินทรีย์
เครื่องกรองไฮโดรเจนใช้ใน เครื่องปฏิกรณ์ ไอระเหยโลหะอินทรีย์สำหรับการผลิตLED [ 5 ]
เซลล์เชื้อเพลิง PEM
รถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงมักใช้เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ (PEMFC) ซึ่งไวต่อสิ่งเจือปนหลายชนิด สิ่งเจือปนส่งผลกระทบต่อ PEMFC ด้วยกลไกหลายอย่าง ซึ่งอาจรวมถึงการเป็นพิษ ต่อตัวเร่ง ปฏิกิริยาปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนที่ขั้วแอโนด การลดการนำไฟฟ้าของไอออนของไอโอโนเมอร์และเมมเบรน การเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการเปียกของส่วนประกอบ หรือการปิดกั้นรูพรุนในตัวกลางการแพร่กระจาย ผลกระทบของสิ่งเจือปนบางชนิด เช่นคาร์บอนมอนอกไซด์กรดฟอร์มิกหรือฟอร์มาลดีไฮด์สามารถย้อนกลับได้ โดยประสิทธิภาพของ PEMFC จะกลับคืนมาเมื่อกำจัดสิ่งเจือปนออกไป สิ่งเจือปนอื่นๆ เช่น สารประกอบซัลเฟอร์ อาจทำให้เกิดการเสื่อมสภาพที่ไม่สามารถย้อนกลับได้[ 6 ]ขีดจำกัดที่อนุญาตของสิ่งเจือปนไฮโดรเจนแสดงไว้ด้านล่าง
| ความเข้มข้นสูงสุดที่อนุญาต / μmol mol −1 | |
|---|---|
| ก๊าซที่ไม่ใช่ไฮโดรเจนทั้งหมด | 300 |
| น้ำ | 5 |
| ปริมาณไฮโดรคาร์บอนทั้งหมด ยกเว้นมีเทน [คิดตามจำนวนอะตอมคาร์บอน] | 2 |
| มีเทน | 100 |
| ออกซิเจน | 5 |
| ฮีเลียม | 300 |
| ไนโตรเจน | 300 |
| อาร์กอน | 300 |
| คาร์บอนไดออกไซด์ | 2 |
| คาร์บอนมอนอกไซด์ | 0.2 |
| สารประกอบกำมะถันทั้งหมด [คิดตามจำนวนอะตอมของกำมะถัน] | 0.004 |
| ฟอร์มาลดีไฮด์ | 0.2 |
| กรดฟอร์มิก | 0.2 |
| แอมโมเนีย | 0.1 |
| สารประกอบฮาโลเจน [บนพื้นฐานของไอออนฮาโลเจน] | 0.05 |
| ความเข้มข้นสูงสุดของอนุภาค | 1 มก. กก. −1 |
ความพยายามในการประเมินการปฏิบัติตามมาตรฐาน ISO-14687 ของไฮโดรเจนที่จัดหาโดยสถานีเติมไฮโดรเจนได้ดำเนินการแล้ว[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]แม้ว่าโดยทั่วไปจะพบว่าไฮโดรเจนนั้น 'ดี' [ 8 ]แต่ก็มีรายงานการละเมิดมาตรฐาน โดยส่วนใหญ่มักเป็นไนโตรเจน น้ำ และออกซิเจน
เครื่องยนต์สันดาปและอุปกรณ์
โดยทั่วไปแล้ว การใช้งานการเผาไหม้จะทนต่อสิ่งเจือปนของไฮโดรเจนได้มากกว่า PEFMC ดังนั้นมาตรฐาน ISO-14687 สำหรับสิ่งเจือปนที่อนุญาตจึงมีความเข้มงวดน้อยกว่า[ 11 ]มาตรฐานนี้เองก็ถูกวิพากษ์วิจารณ์และมีการเสนอให้แก้ไขเพื่อให้มีความผ่อนปรนมากขึ้นและเหมาะสมสำหรับไฮโดรเจนที่กระจายผ่านเครือข่ายก๊าซที่นำมาใช้ใหม่[ 12 ]
| สิ่งเจือปน | ความเข้มข้นสูงสุดที่อนุญาต / μmol mol −1 |
|---|---|
| ก๊าซที่ไม่ใช่ไฮโดรเจนทั้งหมด | 20,000 |
| น้ำ | ไม่เกิดการควบแน่น |
| ปริมาณไฮโดรคาร์บอนทั้งหมด [คิดตามจำนวนอะตอมคาร์บอน] | 100 |
| คาร์บอนมอนอกไซด์ | 1 |
| กำมะถัน [หน่วยเป็นอะตอมกำมะถัน] | 2 |
| ส่วนผสมของน้ำ ออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอน | 19,000 บาท |
| อนุภาคถาวร | จะต้องไม่มีปริมาณมากพอที่จะก่อให้เกิดความเสียหาย |
แหล่งที่มาของสิ่งเจือปน
การมีสิ่งเจือปนในไฮโดรเจนขึ้นอยู่กับวัตถุดิบและกระบวนการผลิต ไฮโดรเจนที่ผลิตโดยการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำอาจมีออกซิเจนและน้ำในปริมาณเล็กน้อย ไฮโดรเจนที่ผลิตโดยการรีฟอร์มไฮโดรคาร์บอนจะมีคาร์บอนไดออกไซด์และคาร์บอนมอนอกไซด์รวมถึงสารประกอบกำมะถัน[ 12 ]สิ่งเจือปนบางอย่างอาจถูกเติมเข้าไปโดยเจตนา เช่น สารให้กลิ่นเพื่อช่วยในการตรวจจับการรั่วไหลของก๊าซ[ 14 ]
วิธีการวิเคราะห์
เนื่องจากความเข้มข้นที่อนุญาตสำหรับสิ่งเจือปนหลายชนิดนั้นต่ำมาก จึงทำให้วิธีการวิเคราะห์ต้องมีความไวสูง นอกจากนี้ ปฏิกิริยาที่สูงของสิ่งเจือปนบางชนิดยังต้องการระบบการสุ่มตัวอย่างและการวิเคราะห์ที่ผ่านการพาสซิเวชันอย่างเหมาะสม[ 15 ]การสุ่มตัวอย่างไฮโดรเจนเป็นเรื่องท้าทาย และต้องระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีสิ่งเจือปนเข้าไปในตัวอย่าง และสิ่งเจือปนจะไม่ดูดซับหรือทำปฏิกิริยาภายในอุปกรณ์สุ่มตัวอย่าง ปัจจุบันมีวิธีการเก็บตัวอย่างที่แตกต่างกันหลายวิธี แต่ต้องอาศัยการเติมถังแก๊สจากหัวฉีดเติมเชื้อเพลิงของสถานีเติมเชื้อเพลิง[ 16 ]กำลังดำเนินการเพื่อกำหนดมาตรฐานและเปรียบเทียบกลยุทธ์การสุ่มตัวอย่าง[ 17 ] [ 18 ]จำเป็นต้องใช้เครื่องมือหลายชนิดร่วมกันเพื่อประเมินตัวอย่างไฮโดรเจนสำหรับส่วนประกอบทั้งหมดที่ระบุไว้ใน ISO 14687-2 [ 19 ] เทคนิคที่เหมาะสมสำหรับสิ่งเจือปนแต่ละชนิดแสดงไว้ในตารางด้านล่าง
| สิ่งเจือปน | วิธีการวิเคราะห์ที่เป็นไปได้ | ขีดจำกัดการตรวจจับ |
|---|---|---|
| ก๊าซที่ไม่ใช่ไฮโดรเจนทั้งหมด | ||
| น้ำ | เครื่องชั่งไมโครคริสตัลควอตซ์ หรือ ซีอาร์ดีเอส | 1.3 หรือ 0.030 |
| ปริมาณไฮโดรคาร์บอนทั้งหมด ยกเว้นมีเทน [คิดตามจำนวนอะตอมคาร์บอน] | GC-Methaniser-FID | 0.1 |
| มีเทน | GC-Methaniser-FID, GC-EPD | 0.1 |
| ออกซิเจน | GC-PDHID, GC-EPD | 0.3 |
| ฮีเลียม | จีซี-ทีซีดี | 10 |
| ไนโตรเจน | GC-PDHID, GC-EPD | 1 |
| อาร์กอน | GC-PDHID, GC-EPD | 0.3 |
| คาร์บอนไดออกไซด์ | GC-Methaniser-FID, GC-EPD | 0.02 |
| คาร์บอนมอนอกไซด์ | GC-Methaniser-FID, GC-EPD | 0.02 |
| สารประกอบกำมะถันทั้งหมด [คิดตามจำนวนอะตอมของกำมะถัน] | GC-SCD, GC-EPD | 0.001 |
| ฟอร์มาลดีไฮด์ | GC-Methaniser-FID | 0.1 |
| กรดฟอร์มิก | FTIR | 0.2 |
| แอมโมเนีย | GC-MS หรือ สเปกโทรสโกปี UV-visible หรือ FTIR | 1 หรือ 0.03 หรือ 0.1 |
| สารประกอบฮาโลเจน (เทียบเท่าไอออนฮาโลเจน) | ทีดีจีซีเอ็มเอส | 0.016 |
เทคนิคต่างๆ เช่น เซนเซอร์ไฟฟ้าเคมี[ 22 ] [ 23 ]และสเปกโทรเมตรีมวล[ 24 ]
ดูเพิ่มเติม
- การแยกก๊าซ
- การบีบอัดไฮโดรเจน
- การแยกก๊าซด้วยเยื่อเมมเบรน
- เครื่องปฏิกรณ์เมมเบรน
- 45. พลังงานในบ้าน #67 • ตุลาคม/พฤศจิกายน 1998 (เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าสำหรับใช้ในบ้าน)
- สถานีเติมไฮโดรเจน
- เชื้อเพลิงไฮโดรเจน
- เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน
- โครงการ MetroHyVe2
- โครงการไฮเดรต
- ความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจน ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์แห่งชาติ
ลิงก์ภายนอก
- ระบบกรองไฮโดรเจนอุตสาหกรรม 3 ระบบ เก็บถาวรเมื่อวันที่ 15 กรกฎาคม 2550 ที่Wayback Machine
- บริษัท พาวเวอร์ แอนด์ เอนเนอร์จี อิงค์
- สร้างมาตรฐานใหม่สำหรับการขนส่งไฮโดรเจน