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水素精製とは、水素を精製するために使用される技術です。水素ガス中の不純物は、石油、石炭、電気分解などの水素の供給源によって異なります。必要な純度は、水素ガスの用途によって決まります。たとえば、プロトン交換膜燃料電池などの用途には、超高純度の水素が必要です。[1]
浄化技術
低温法
石油精製所で生産されるH2の大規模な精製では、沸点が非常に低い-253℃がデフォルトで利用されています。ほとんどの不純物の沸点はこの温度をはるかに上回っています。低温法は、特定の不純物を除去するための洗浄によって補完することができます。[1]
パラジウム膜水素精製装置
水素はパラジウムと銀からなる膜を通過させることで精製できる。パラジウムと銀の比率が約3:1のこの合金は、水素を選択的に拡散させる活性成分である純粋なパラジウムよりも構造的に堅牢である。拡散は300℃付近で速くなる。この方法は実験室規模での水素精製に使用されているが、産業界では使用されていない。銀パラジウム膜はアルケンや硫黄含有化合物に対して不安定である。[1]
高密度の薄い金属膜浄化装置はコンパクトで、比較的安価で、使い方も簡単です。[2] [3]
圧力スイング吸着
圧力スイング吸着は、大規模な商業用水素合成の最終段階として二酸化炭素(CO 2 )を除去するために使用されます。また、水素からメタン、一酸化炭素、窒素、水分、場合によってはアルゴンも除去できます。
アプリケーション
有機金属気相エピタキシー
水素精製装置はLED製造用の有機金属気相エピタキシー反応器で使用されている。[4]
PEM燃料電池
燃料電池電気自動車では、さまざまな不純物の影響を受けやすい高分子電解質膜燃料電池（PEMFC）が一般的に使用されています。不純物はさまざまなメカニズムでPEMFCに影響を及ぼします。これには、アノードの水素酸化反応触媒の被毒、イオン交換樹脂と膜のイオン伝導性の低下、部品の濡れ挙動の変化、拡散媒体の多孔性の阻害が含まれます。一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒドなどの不純物の影響は可逆的であり、不純物の供給が除去されるとPEMFCの性能が回復します。硫黄化合物などの他の不純物は、不可逆的な劣化を引き起こす可能性があります。[5]水素不純物の許容限度を以下に示します。
水素燃料補給ステーションから供給される水素がISO-14687規格に準拠しているかどうかを評価する取り組みが行われてきました。[7] [8] [9]水素は概ね「良好」であると判定されましたが[7]、最も頻繁に報告されているのは窒素、水、酸素に関する規格違反です。
燃焼エンジンと機器
燃焼用途では、一般的にPEFMCよりも水素不純物に対する許容度が高いため、許容不純物に関するISO-14687規格はそれほど厳しくありません。[10]この規格自体は批判されており、より緩やかにして、再利用ガスネットワークを通じて分配される水素に適したものにするための改訂が提案されています。[11]
不純物の発生源
水素中の不純物の存在は、原料と製造プロセスによって異なります。水の電気分解によって生成される水素には、通常、微量の酸素と水が含まれます。炭化水素の改質によって生成される水素には、二酸化炭素と一酸化炭素、および硫黄化合物が含まれます。[11]ガス漏れの検出を助けるために、例えば臭気物質など、意図的に不純物が加えられることもあります。[13]
分析方法
多くの不純物の許容濃度は非常に低いため、分析方法の感度に厳しい要求が課せられます。さらに、一部の不純物の高反応性には、適切に不動態化されたサンプリングおよび分析システムの使用が必要です。[14]水素のサンプリングは困難であり、不純物がサンプルに混入しないように、また不純物がサンプリング装置に吸収されたり、サンプリング装置内で反応したりしないように注意する必要があります。現在、サンプリングにはさまざまな方法がありますが、給油ステーションの給油ノズルからガスシリンダーに充填することに頼っています。[15]サンプリング戦略を標準化し、比較する取り組みが進行中です。[16] [17] ISO 14687-2に記載されているすべての成分の水素サンプルを評価するには、さまざまな機器の組み合わせが必要です。[18] 個々の不純物に適した手法を次の表に示します。
電気化学センサー[21] [22]や質量分析法[23]などの技術。
参照
- ガス分離
- 水素ピンチ
- 膜ガス分離
- 膜反応器
- 45 ホームパワー #67 • 1998年10月/11月（家庭用電解装置）
- 水素ステーション
- 水素燃料
- プロトン交換膜燃料電池
- MetroHyVe2 プロジェクト
- ハイドライトプロジェクト
- 国立物理学研究所水素純度
参考文献
- ^ abc Häussinger, Peter; Lohmüller, Reiner; Watson, Allan M. (2011). 「水素、3. 精製」。Ullmann 's Encyclopedia of Industrial Chemistry . doi :10.1002/14356007.o13_o04. ISBN 978-3-527-30385-4。
- ^ 水素精製膜
- ^ 水素精製用の高密度金属膜
- ^ 「水素精製装置はLED製造に不可欠」III-Vs Review . 19 (5): 19. 2006年6月. doi : 10.1016/S0961-1290(06)71698-2 .
- ^ X. Cheng、Z. Shi、N. Glass、L. Zhang、J. Zhang、D. Song、Z.-S. Liu、H. Wang、J. Shen (2007)。「PEM 水素燃料電池の汚染に関するレビュー: 影響、メカニズム、緩和策」。Journal of Power Sources。165 (2): 739–756。Bibcode :2007JPS...165..739C。doi : 10.1016 /j.jpowsour.2006.12.012。S2CID 95246225 。
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- ^ 「HydrogenSense」www.vandf.com . 2021年10月27日閲覧。[永久リンク切れ]
外部リンク
- 3 つの産業用水素精製システム 2007-07-15 にWayback Machineでアーカイブ
- パワー・アンド・エナジー株式会社
- 水素供給の新たな基準を設定