Применение водородной энергетики

Топливный элемент играет важнейшую роль в цепочке поставок водородной энергии, особенно в транспортном секторе, например, в поездах, автомобилях и судах. Он эффективно преобразует водород обратно в электричество, производя чистую энергию, при этом единственным побочным продуктом является вода. Независимо от того, поступает ли водород непосредственно из производственной системы или из системы хранения, топливные элементы требуют водорода высокой чистоты для достижения оптимальной производительности. Любые примеси в водороде высокой чистоты могут снизить производительность топливного элемента и привести к его долговременному повреждению.

Топливные элементы чрезвычайно чувствительны к примесям, которые могут вызывать различные неблагоприятные последствия. Даже следовые количества примесей, таких как влага (H2O), кислород (O2), азот (N2) и оксид углерода (CO), могут снижать эффективность преобразования энергии и уменьшать выходную мощность. Со временем эти примеси также могут повреждать компоненты топливных элементов, особенно катализаторы (протонно-обменную мембрану), что приводит к высоким затратам на техническое обслуживание или замену. Для топливных элементов, соответствующих стандарту GB/T 37244-2018 «Спецификация на топливо для автомобилей с протонно-обменными мембранными топливными элементами — водород» (ISO 14687:2019(E)), особенно важно поддерживать чистоту водорода, поскольку этот стандарт устанавливает строгие ограничения на концентрацию примесей, таких как H2O, O2 и N2. Специфические свойства и содержание примесей в водороде варьируются в зависимости от источника: паровой риформинг метана (SMR), пиролиз метанола, производство кислорода из коксового газа, очистка серого водорода или электролиз. Каждый метод производства водорода может приводить к появлению различных загрязняющих веществ, которые необходимо контролировать и отслеживать до того, как водород попадет в топливный элемент.

Основные показатели чистоты водорода для топливных элементов

Для обеспечения соответствия водорода, используемого в топливных элементах, необходимым стандартам высокой производительности, критически важны следующие ключевые показатели контроля чистоты:

● Влага в водороде (водяной пар): Чрезмерно высокое содержание влаги может препятствовать электрохимической реакции внутри топливного элемента, снижать эффективность и повреждать компоненты топливного элемента. Мониторинг следового содержания влаги в водороде имеет решающее значение для обеспечения достаточной сухости водорода, необходимой для поддержания оптимальной производительности топливных элементов.

● Кислород в водороде: Загрязнение кислородом может снизить выходную мощность и эффективность топливных элементов. Даже небольшое количество кислорода может значительно ухудшить характеристики топливных элементов с течением времени. Постоянный контроль содержания кислорода гарантирует, что водород не содержит этого вредного примеси.

● Оксид углерода (CO): Оксид углерода является одним из наиболее вредных загрязняющих веществ для топливных элементов, особенно для топливных элементов с протонно-обменной мембраной (PEM). CO адсорбируется на платиновом катализаторе, снижая его способность способствовать реакции водорода с кислородом. Даже следовые количества CO могут значительно ухудшить характеристики топливного элемента и сократить срок его службы. Мониторинг содержания CO необходим для предотвращения отравления катализатора.

● Аммиак (NH3): Определение следовых количеств аммиака в водороде для топливных элементов имеет решающее значение для защиты катализатора, поддержания производительности топливных элементов, обеспечения безопасности и контроля качества. В практических приложениях для точного определения следовых количеств аммиака в водороде требуются высокочувствительные лазерные аналитические методы и приборы TDLAS.

● Уровень чистоты водорода: Общая чистота водорода должна соответствовать строгим стандартам, таким как GB/T 37244-2018 «Спецификация на топливо для автомобилей с протонно-обменными мембранными топливными элементами — водород» ISO 14687:2019(E), которые устанавливают требования к допустимым уровням примесей в водороде, используемом для топливных элементов. Непрерывный контроль чистоты водорода гарантирует его соответствие этим стандартам, предотвращает снижение производительности и максимизирует эффективность топливных элементов.

Дополнительные соображения безопасности: установка и целостность системы.

Помимо вопросов чистоты, для хранения и распределения водорода в топливных элементах также крайне важны специальные меры безопасности и обеспечения целостности системы. Необходимо установить систему обнаружения утечек для выявления любых утечек в водородном топливе, которые могут представлять серьезную угрозу безопасности. Кроме того, для защиты системы от случайного возгорания может использоваться инертизация (т.е. добавление инертного газа для снижения риска возгорания).

Какие анализаторы используются для определения чистоты водорода, используемого в топливных элементах?

Для поддержания уровня чистоты водорода, необходимого для работы топливных элементов, используется множество современных анализаторов, позволяющих обнаруживать и удалять примеси до того, как водород попадет в топливный элемент.

Применение в производстве водорода

● Измерение концентрации водорода, закачиваемого в газопроводы (для транспортировки — здесь имеется в виду сценарий, когда водород транспортируется по газопроводам);

● Измерение чистоты/качества хранимого водорода для предотвращения загрязнения топливных элементов;

● Измерение параметров паровой конверсии метана (SMR), пиролиза метанола и производства кислорода из коксового газа; обнаружение и контроль качества процессов очистки серого водорода и производства водорода методом электролиза воды;

● Безопасность и чистота хранения водорода.