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

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

Arges a deux demandes de brevet américaines en instance sur les composants utilisés dans cette recherche : l’une sur les PEM à haute température et l’autre sur la pompe à hydrogène électrochimique utilisant les PEM à haute température et le liant d’électrode ionomère d’acide phosphonique. Crédit : Kelby Hochreither/État de Penn

L’affinage des métaux, la fabrication d’engrais et l’alimentation des piles à combustible 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, avec plusieurs étapes. 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 d’un réacteur à changement de gaz à l’eau conventionnel, la valeur la plus élevée enregistrée. L’équipe a détaillé son approche dans Lettres énergétiques ACS.

Selon Arges, les méthodes traditionnelles de séparation de l’hydrogène utilisent un réacteur de conversion gaz-eau, ce qui implique une étape supplémentaire. 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, qui peuvent séparer l’hydrogène du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone et d’autres molécules de gaz rapidement et à moindre coût. La pompe électrochimique, équipée du PEM et d’autres nouveaux matériaux développés par Arges, est plus efficace que les méthodes conventionnelles car elle sépare et comprime simultanément l’hydrogène des mélanges gazeux. Elle peut également fonctionner à des températures de 200 à 250 degrés Celsius, soit 20 à 70 degrés de plus que les autres pompes électrochimiques de type PEM à haute température, ce qui améliore sa capacité à séparer l’hydrogène des gaz indésirables.

“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 point avec une alimentation en gaz contenant plus 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 charges opposées forment le “pain” et la membrane est la “charcuterie”. Les matériaux liants ionomères des électrodes sont conçus pour maintenir les électrodes ensemble, comme le gluten du pain.

Dans la pompe, l’électrode chargée positivement, ou tranche de pain, 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 plus 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 transport de gaz afin que l’hydrogène puisse réagir sur la surface de l’électrocatalyseur tout en faisant la navette entre les protons et la membrane”, a déclaré Arges.

Les chercheurs prévoient d’étudier comment leur approche et leurs outils aideront à purifier l’hydrogène lorsqu’il est stocké dans les gazoducs existants. Distribuer et stocker l’hydrogène de cette manière n’a jamais été réalisé, mais présente un grand intérêt, selon Arges. Il a expliqué que l’hydrogène pourrait aider à générer de l’électricité via une pile à combustible ou un turbogénérateur pour soutenir les systèmes solaires ou éoliens et une variété d’applications plus durables.

“Le défi est que l’hydrogène doit être stocké à de faibles concentrations dans le pipeline – moins de 5% – car il peut dégrader le pipeline, mais les applications d’utilisation finale nécessitent plus de 99% d’hydrogène pur”, a déclaré Arges.


Faire progresser la technologie d’électrolyse de l’eau pour la production d’énergie hydrogène verte


Plus d’information:
Gokul Venugopalan et al, Pompage électrochimique pour les séparations d’hydrogène difficiles, Lettres énergétiques ACS (2022). DOI : 10.1021 / acsenergylett.1c02853

Fourni par l’Université d’État de Pennsylvanie

Citation: Une nouvelle méthode purifie l’hydrogène des mélanges de monoxyde de carbone lourd (29 mars 2022) récupéré le 29 mars 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-03-method-purifies-hydrogen-heavy-carbon.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.