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Une nouvelle méthode purifie l'hydrogène des mélanges de monoxyde de carbone lourd

L’affinage des métaux, la fabrication d’engrais et l’alimentation des piles à flamable pour véhicules lourds sont autant de procédés qui nécessitent de l’hydrogène purifié. Mais purifier ou séparer cet hydrogène d’un mélange d’autres gaz peut être difficile. Une équipe de recherche dirigée par Chris Arges, professeur agrégé de génie chimique à Penn State, a démontré que le processus peut être simplifié à l’aide d’une pompe équipée de matériaux membranaires nouvellement développés.

Les chercheurs ont utilisé une pompe à hydrogène électrochimique pour séparer et comprimer l’hydrogène avec un taux de récupération de 85 % à partir de mélanges de gaz combustibles connus sous le nom de gaz de synthèse et un taux de récupération de 98,8 % à partir du flux de sortie du réacteur à changement de gaz à eau conventionnel – la valeur la moreover élevée enregistrée.

Selon Arges, les méthodes traditionnelles de séparation de l’hydrogène utilisent un réacteur de conversion gaz-eau. Le réacteur de conversion gaz-eau convertit d’abord le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone, qui est ensuite envoyé dans un processus d’absorption pour en séparer l’hydrogène. Ensuite, l’hydrogène purifié est pressurisé à l’aide d’un compresseur pour une utilisation immédiate ou pour le stockage.

La clé, a déclaré Arges, est d’utiliser des membranes électrolytiques polymères sélectives de protons à haute température, ou PEM. La pompe électrochimique, équipée du PEM et d’autres nouveaux matériaux développés par Arges, est furthermore efficace que les méthodes conventionnelles vehicle elle sépare et comprime simultanément l’hydrogène des mélanges gazeux. Il peut également fonctionner à des températures de 200 à 250 degrés Celsius, soit 20 à 70 degrés de furthermore que les autres pompes électrochimiques de style PEM à haute température.

“Il s’agit d’un moyen efficace et potentiellement économique de purifier l’hydrogène, en particulier lorsqu’il y a une forte teneur en monoxyde de carbone”, a déclaré Arges. “Personne n’a jamais purifié l’hydrogène à ce place avec une alimentation en gaz contenant in addition de 3 % de monoxyde de carbone à l’aide d’une pompe à hydrogène électrochimique, et nous y sommes parvenus avec des mélanges contenant jusqu’à 40 % de monoxyde de carbone en utilisant une classe relativement nouvelle. de PEM haute température et de matériaux liants ionomères pour électrodes.”

Pour effectuer la séparation, l’équipe d’Arges a créé un “sandwich” d’électrodes, où les électrodes avec des costs opposées forment le “ache” et la membrane est la “charcuterie”. Les matériaux liants ionomères des électrodes sont conçus pour maintenir les électrodes ensemble, comme le gluten du soreness.

Dans la pompe, l’électrode chargée positivement, ou tranche de suffering, décompose l’hydrogène en deux protons et deux électrons. Les protons traversent la membrane, ou charcuterie, tandis que les électrons voyagent à l’extérieur à travers la pompe à l’aide d’un fil qui touche l’électrode chargée positivement. Les protons traversent ensuite la membrane jusqu’à l’électrode chargée négativement et se recombinent avec les électrons pour reformer l’hydrogène.

Le PEM fonctionne en permettant le passage des protons mais en empêchant les moreover grosses molécules de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone, de méthane et d’azote de passer, selon Arges. Pour que les électrodes fonctionnent efficacement dans la pompe à hydrogène, Arges et son équipe ont synthétisé un liant ionomère d’acide phosphonique spécial qui agit comme un adhésif pour maintenir les particules d’électrode ensemble.

“Le liant est efficace pour fabriquer une électrode poreuse mécaniquement robuste qui permet le transportation de gaz afin que l’hydrogène puisse réagir sur la area de l’électrocatalyseur tout en faisant la navette entre les protons et la membrane”, a déclaré Arges.

Distribuer et stocker l’hydrogène de cette manière n’a jamais été réalisé, mais présente un grand intérêt, selon Arges.

“Le défi est que l’hydrogène doit être stocké à de faibles concentrations dans le pipeline – moins de 5% – car or truck il peut dégrader le pipeline. a déclaré Arges.

Arges a déposé deux demandes de brevet américain sur des composants utilisés dans cette recherche alors qu’il était professeur à la Louisiana Point out College. L’un est sur les PEM haute température et l’autre sur la pompe à hydrogène électrochimique utilisant les PEM haute température et le liant d’électrode ionomère d’acide phosphonique. Il octroie actuellement une licence pour la technologie d’une start out-up qu’il a cofondée avec sa femme, Hiral Arges.

Deepra Bhattacharya, étudiante au doctorat en génie chimique de Penn State, est co-auteure de l’article. Parmi les autres contributeurs figurent Gokul Venugopalan, chercheur postdoctoral au Centre de recherche en chimie et nanosciences du National Renewable Power Laboratory de Golden, Colorado, et ancien doctorant d’Arges et Evan Andrews, Luis Briceno-Mena, José Romagnoli et John Flake, chercheurs en génie chimique de la Louisiana Point out College.

L’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du Département américain de l’énergie a financé ce travail.