Systém čištění vodíku

Vodík je slibný čistý nosič energie, který lze použít pro různé aplikace, jako jsou palivové články, výroba energie a doprava. Výroba vodíku však často zahrnuje nečistoty, které mohou ovlivnit jeho kvalitu a výkon. Proto je čištění vodíku nezbytným krokem k zajištění účinnosti a bezpečnosti využívání vodíku.

Adsorpce při kolísání tlaku
Adsorpce při kolísání tlaku (PSA) je široce používaná metoda pro čištění vodíku, která se opírá o selektivní adsorpci nečistot na porézních materiálech, jako je aktivní uhlí nebo zeolity, pod vysokým tlakem. Adsorbované nečistoty se pak uvolní snížením tlaku a propláchnutím adsorbentu proplachovacím plynem. PSA může dosáhnout vysoké čistoty a regenerace vodíku, ale také vyžaduje vysokou spotřebu energie, velkou velikost zařízení a periodickou regeneraci adsorbentu.

Oddělení membrány
Membránová separace je další běžnou metodou pro čištění vodíku, která využívá tenké a propustné materiály, jako jsou polymery, kovy nebo keramika, k oddělení vodíku od jiných plynů na základě jejich molekulové velikosti, tvaru nebo afinity. Membránová separace může fungovat při nízkém nebo okolním tlaku a teplotě, což snižuje energetické a investiční náklady. Membránová separace však také čelí problémům, jako je znečištění membrány, degradace a selektivita.

Kryogenní destilace
Kryogenní destilace je metoda čištění vodíku, která využívá různé teploty varu vodíku a dalších plynů. Chlazením směsi plynů na extrémně nízké teploty lze oddělit vodík jako páru, zatímco nečistoty kondenzují jako kapaliny. Kryogenní destilací lze dosáhnout velmi vysoké čistoty a regenerace vodíku, zejména pro odstranění inertních plynů, jako je dusík a helium. Kryogenní destilace však také zahrnuje vysokou spotřebu energie, složité vybavení a bezpečnostní rizika.

Difúze palladia
Difúze palladia je metoda pro čištění vodíku, která využívá jedinečné vlastnosti kovového palladia, které dokáže absorbovat a difundovat atomy vodíku prostřednictvím své mřížkové struktury. Aplikací tlakového nebo teplotního gradientu přes tenkou palladiovou membránu může být vodík selektivně transportován z jedné strany na druhou a zanechávat za sebou nečistoty. Difúzí palladia lze dosáhnout ultra vysoké čistoty a regenerace vodíku, ale také trpí vysokými náklady na materiál, omezenou dostupností a náchylností k otravě a křehnutí.

Biologické metody
Biologické metody jsou nově vznikající metody pro čištění vodíku, které využívají mikroorganismy, jako jsou bakterie, řasy nebo houby, k přeměně nebo odstranění nečistot z plynného vodíku. Některé bakterie mohou například využívat oxid uhelnatý, běžnou nečistotu při výrobě vodíku, jako substrát pro růst a produkovat oxid uhličitý a vodu jako vedlejší produkty. Biologické metody mohou nabídnout nízkou spotřebu energie, přínosy pro životní prostředí a produkty s potenciální přidanou hodnotou. Biologické metody však také čelí výzvám, jako je nízká účinnost, škálovatelnost a stabilita.

Vědci poprvé získali 98,8 procenta vodíku z výstupního proudu konvenčního vodou chlazeného vodního plynového reaktoru, což je nejvyšší hodnota, která kdy byla zaznamenána.

V tradičních metodách separace vodíku se používá konverzní reaktor s vodním plynem, což vyžaduje další krok. V konverzním reaktoru s vodním plynem se oxid uhelnatý nejprve přemění na oxid uhličitý a poté se vodík a oxid uhličitý oddělí pomocí absorpčního procesu. Kompresor se používá k natlakování vyčištěného vodíku pro okamžité použití nebo skladování.

K rychlému a ekonomickému oddělení vodíku od jiných molekul plynu, jako je oxid uhličitý a oxid uhelnatý, je zapotřebí použití vysokoteplotních protonově selektivních polymerních elektrolytových membrán neboli PEM. Může také pracovat při vyšších teplotách než jiná vysokoteplotní elektrochemická čerpadla typu PEM, což zvyšuje jeho schopnost oddělovat vodík od ostatních plynů.

Proces čištění vodíku
K dosažení separace použil tým elektrodový „sendvič“, ve kterém elektrody s opačnými náboji slouží jako „chléb“ a membrána slouží jako „lahůdkové maso“. Materiály elektrodového ionomerního pojiva jsou navrženy tak, aby držely elektrody pohromadě, podobně jako lepek drží chléb pohromadě.

Krajíc chleba nebo kladně nabitá elektroda v čerpadle uvolňuje protony a elektrony z vodíku. Zatímco protony procházejí membránou, elektrony putují pumpou přes drát, který se dotýká kladně nabité elektrody. Po průchodu membránou a příchodu k záporně nabité elektrodě se protony a elektrony spojí a znovu vytvoří vodík.
Protože PEM propouští pouze protony, oxid uhelnatý, oxid uhličitý, metan a dusík procházet nemohou. Tým vytvořil adhezivní ionomerní pojivo kyseliny fosfonové, které udržuje částice elektrody ve vodíkové pumpě pohromadě, aby mohly správně fungovat.

Výzkumníci využijí svůj přístup a nástroje ke zkoumání čištění vodíku v potrubích zemního plynu. Přestože tento způsob přepravy a skladování vodíku ještě nebyl uveden do praxe, je v něm mnoho příslibů. Vodík by mohl být použit k podpoře solárních a větrných energetických systémů, stejně jako řady dalších ekologických aplikací, pomocí palivového článku nebo turbínového generátoru.

Průmyslový plyn obsahuje velké množství odpadních plynů s různým vodíkem. Separace a čištění vodíku je také jednou z prvních průmyslových oblastí technologie PSA.

Princip PSA separace plynné směsi spočívá v tom, že adsorpční kapacita adsorbentu pro různé složky plynu se mění se změnou tlaku. Složky nečistot ve vstupním plynu jsou odstraněny vysokotlakou adsorpcí a tyto nečistoty jsou desorbovány snížením tlaku a zvýšením teploty. Účelu odstranění nečistot a extrakci čistých složek je dosaženo změnami tlaku a teploty.

Výroba vodíku PSA využívá adsorbent na molekulárním sítu JZ{0}}H k oddělení bohatého vodíku za vzniku vodíku, což je dokončeno změnou tlaku v adsorpčním loži. Protože se vodík velmi obtížně adsorbuje, ostatní plyny (které lze nazvat nečistoty) se snadno nebo snadno adsorbují, takže plyn bohatý na vodík bude produkován, když je blízko vstupnímu tlaku upravovaného plynu. Při desorpci (regeneraci) se uvolňují nečistoty a tlak postupně klesá na desorpční tlak
Adsorpční věž střídavě provádí proces adsorpce, tlaku. vyrovnání a desorpce pro dosažení kontinuální produkce vodíku. Bohatý vodík vstupuje do systému pod určitým tlakem. Bohatý vodík prochází adsorpční věží naplněnou speciálním adsorbentem zdola nahoru. Co/CH4/N2 je zadržován na povrchu adsorbentu jako silná adsorpční složka a H2 proniká ložem jako adsorpční složka. Produktový vodík shromážděný z horní části adsorpční věže je vyveden mimo hranici. Když je adsorbent v loži nasycen CO / CH4 / N2, bohatý vodík se převede do jiných adsorpčních věží. V procesu adsorpční desorpce zůstává v adsorbované věži stále určitý tlak vodíku produktu.

Tato část čistého vodíku se používá k vyrovnání a propláchnutí ostatních právě desorbovaných věží pro vyrovnávání tlaku. Tím se nejen využije zbývající vodík v adsorpční věži, ale také se zpomalí rychlost nárůstu tlaku v adsorpční věži, zpomalí se stupeň únavy v adsorpční věži a účinně se dosáhne účelu separace vodíku.

Plynný vodík se vyrábí řadou různých procesů a obvykle se vyrábí v nečisté formě. Typické procesy zahrnují chemickou syntézu parním reformováním methanu, odplyňováním ze styrenových nebo ethylenových závodů, kde se jako vedlejší produkt vyrábí plynný vodík, a petrochemické aplikace, jako je hydrokrakování nebo odsíření. Pro použití vodíku je nutný proces čištění, aby se vytvořil vyčištěný plynný vodík. Hydrogen pressure swing adsorption (H2PSA) je proces, který využívá těkavost vodíku a jeho celkovou nedostatečnou polaritu a afinitu k zeolitům k čištění kontaminovaných proudů plynu.

Generování vodíku typicky zahrnuje produkci kontaminantů nebo vedlejších produktů, které je třeba odstranit. Zahrnuje sloučeniny, jako je oxid uhelnatý, oxid uhličitý, dusík, voda a nezreagované uhlovodíky. Vodíkový PSA využívá přednostní adsorpci těchto složek a odstraňuje je z proudu vodíku za vzniku čištěného vodíku.

Hydrogen PSA tradičně využívá výhody několika sítových lůžek a skládá se ze čtyř fází: fáze adsorpce, fáze odtlakování, fáze regenerace a fáze opětovného tlaku. V procesu se nečistý proud vodíku vede do sítového lože, kde se nečistoty selektivně adsorbují na molekulové síto pod tlakem. Po dokončení adsorpčního kroku se regenerace provede odtlakováním lože, čímž se sníží afinita nečistot a umožní se jejich odstranění.

Dalšího čištění lože se dosáhne čištěním čistým vodíkem, aby se odstranily veškeré zbývající kontaminanty. Lůžko je znovu natlakováno, aby se opakoval proces adsorpce. Lůžka běží synchronizovaně, aby byla umožněna nepřetržitá výroba vodíku.

Produkty se prodávají ve všech regionech Číny a vyvážejí se do zemí po celém světě. Byly prodávány ve více než 20 zemích a regionech včetně Spojených států, Německa, Maroka, Keni, Saúdské Arábie, Vietnamu, Alžírska, Indie, Tanzanie a Tchaj-wanu. Úspěšně poskytly známé podniky, jako jsou China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group a další známé podniky. Existuje mnoho stanic na hydrogenaci zeleného vodíku, jako jsou Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming atd., které poskytují zelené projekty a projekty na výrobu vodíku.