Neue Methode reinigt Wasserstoff aus Kohlenmonoxidgemischen
Lizenzierung der Technologie für ein Start-up
Die Raffination von Metallen, die Herstellung von Düngemitteln und der Betrieb von Brennstoffzellen für schwere Fahrzeuge sind alles Prozesse, die gereinigten Wasserstoff erfordern. Die Reinigung bzw. Abtrennung dieses Wasserstoffs aus einem Gemisch anderer Gase kann jedoch schwierig sein und erfordert mehrere Schritte. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Chris Arges, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der Penn State University, hat gezeigt, dass der Prozess mit einer Pumpe, die mit neu entwickelten Membranmaterialien ausgestattet ist, vereinfacht werden kann.
Arges hat zwei US-Patentanmeldungen für Komponenten, die in dieser Forschung verwendet werden: Eines auf Hochtemperatur-PEMs und das andere auf die elektrochemische Wasserstoffpumpe, die Hochtemperatur-PEMs und Phosphonsäure-Ionomer-Elektrodenbinder verwendet.
Kelby Hochreither, Penn State
Die Forscher setzten eine elektrochemische Wasserstoffpumpe ein, um Wasserstoff sowohl zu trennen als auch zu komprimieren. Dabei erzielten sie eine Rückgewinnungsrate von 85 % aus Brenngasmischungen, die als Syngas bezeichnet werden, und eine Rückgewinnungsrate von 98,8 % aus dem Ausgangsstrom eines herkömmlichen Wassergasverschiebungsreaktors - der höchste Wert, der jemals gemessen wurde. Das Team hat seinen Ansatz in ACS Energy Letters ausführlich beschrieben .
Herkömmliche Methoden zur Wasserstoffabtrennung verwenden einen Wassergasverschiebungsreaktor, der einen zusätzlichen Schritt beinhaltet, so Arges. Der Wassergasverschiebungsreaktor wandelt zunächst Kohlenmonoxid in Kohlendioxid um, das dann einen Absorptionsprozess durchläuft, um den Wasserstoff davon zu trennen. Anschließend wird der gereinigte Wasserstoff mit Hilfe eines Kompressors unter Druck gesetzt, um ihn sofort zu verwenden oder zu speichern.
Der Schlüssel, so Arges, liegt in der Verwendung von protonenselektiven Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembranen (PEM), die Wasserstoff schnell und kostengünstig von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und anderen Gasmolekülen trennen können. Die elektrochemische Pumpe, die mit der PEM und anderen von Arges entwickelten neuen Materialien ausgestattet ist, ist effizienter als herkömmliche Methoden, da sie gleichzeitig Wasserstoff aus Gasgemischen abtrennt und verdichtet. Außerdem kann sie bei Temperaturen von 200 bis 250 Grad Celsius arbeiten - 20 bis 70 Grad höher als andere elektrochemische Hochtemperatur-PEM-Pumpen -, was ihre Fähigkeit verbessert, Wasserstoff von unerwünschten Gasen zu trennen.
"Dies ist ein effektiver und potenziell kostensparender Weg zur Reinigung von Wasserstoff, insbesondere bei hohem Kohlenmonoxidgehalt", so Arges. "Niemand hat jemals Wasserstoff in diesem Ausmaß mit einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe aus einem Gas gereinigt, das mehr als 3 % Kohlenmonoxid enthielt, und wir haben dies mit Mischungen erreicht, die bis zu 40 % Kohlenmonoxid enthalten, indem wir eine relativ neue Klasse von Hochtemperatur-PEM- und Elektroden-Ionomerbindematerialien verwendet haben".
Für die Trennung hat das Team von Arges ein Elektroden-"Sandwich" entwickelt, bei dem die Elektroden mit entgegengesetzten Ladungen das "Brot" und die Membran das "Delikatessenfleisch" bilden. Die ionomeren Bindemittel der Elektroden sollen die Elektroden zusammenhalten, ähnlich wie der Kleber des Brotes.
In der Pumpe spaltet die positiv geladene Elektrode, die Brotscheibe, den Wasserstoff in zwei Protonen und zwei Elektronen auf. Die Protonen wandern durch die Membran oder das Delikatessenfleisch, während die Elektronen über einen Draht, der die positiv geladene Elektrode berührt, durch die Pumpe nach außen wandern. Die Protonen wandern dann durch die Membran zur negativ geladenen Elektrode und rekombinieren mit den Elektronen, um den Wasserstoff wieder zu bilden.
Die PEM funktioniert, indem sie Protonen durchlässt, aber größere Moleküle wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und Stickstoff daran hindert, durchzukommen, so Arges. Damit die Elektroden in der Wasserstoffpumpe effektiv arbeiten können, haben Arges und sein Team ein spezielles Phosphonsäure-Ionomer-Bindemittel synthetisiert, das als Klebstoff fungiert und die Elektrodenpartikel zusammenhält.
"Mit diesem Bindemittel lässt sich eine mechanisch robuste, poröse Elektrode herstellen, die den Gastransport ermöglicht, so dass Wasserstoff auf der Oberfläche des Elektrokatalysators reagieren kann und gleichzeitig Protonen zur und von der Membran transportiert werden", so Arges.
Die Forscher wollen untersuchen, wie ihr Ansatz und ihre Werkzeuge bei der Reinigung von Wasserstoff helfen, wenn dieser in bestehenden Erdgaspipelines gespeichert wird. Die Verteilung und Speicherung von Wasserstoff auf diese Weise wurde noch nie durchgeführt, ist aber sehr interessant, so Arges. Er erläuterte, dass Wasserstoff bei der Erzeugung von elektrischem Strom über Brennstoffzellen oder Turbinengeneratoren helfen könnte, um Solar- oder Windenergiesysteme und eine Vielzahl von nachhaltigeren Anwendungen zu unterstützen.
"Die Herausforderung besteht darin, dass Wasserstoff in geringen Konzentrationen in der Pipeline gespeichert werden muss - weniger als 5 % -, da er die Pipeline zersetzen kann, aber die Endanwendungen erfordern mehr als 99 % reinen Wasserstoff", so Arges.
Während seiner Zeit an der Louisiana State University hat Arges zwei US-Patentanmeldungen für die in dieser Forschung verwendeten Komponenten eingereicht. Das eine bezieht sich auf Hochtemperatur-PEMs, das andere auf die elektrochemische Wasserstoffpumpe, die Hochtemperatur-PEMs und Phosphonsäure-Ionomer als Elektrodenbinder verwendet. Derzeit lizenziert er die Technologie für ein Start-up-Unternehmen namens Ionomer Solutions LLC, das er gemeinsam mit seiner Frau Hiral Arges gegründet hat.
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