Trace Impurity Analysis of Hydrogen Fuel in Fuel Cell Vehicle-Related Fields

Význam tématu

Využití vodíku jako paliva pro palivové články v dopravě a domácnostech přináší výzvu udržet extrémně nízké koncentrace nečistot. Mezi kritické patří oxid uhelnatý, který silně snižuje účinnost katalyzátorů – jev známý jako otrava katalyzátoru. Mezinárodní norma ISO 14687-2 klade na koncentraci CO v palivovém vodíku požadavek max. 0,2 ppm, což klade vysoké nároky na analytické metody. Cílem je vyvinout jednodušší, ale dostatečně citlivou techniku pro spolehlivou kontrolu stopových nečistot.

Cíle a přehled studie / článku

Článek popisuje dvě strategické metody plynové chromatografie spojené s univerzálním detektorem BID pro:

• Analýzu stopového oxidu uhelnatého pomocí kolony Rt-Msieve 5A.
• Současné stanovení více nečistot (CO, CO2, CH4, N2O, C2H2, C2H4, C2H6) pomocí mikropacked ST kolony.

Obě metody hodnotí dosažené meze detekce, linearitu a schopnost splnit požadavky normy ISO.

Použitá metodika a instrumentace

Pro obě metody byla použita plynová chromatografie Shimadzu Tracera (GC-2010 Plus + BID-2010 Plus) vybavená detektorem bariérové výbojové ionizace (BID), který nabízí širší univerzálnost než TCD a FID a citlivější detekci téměř všech složek kromě He a Ne.

• Kolona Rt-Msieve 5A (30 m × 0,53 mm I.D., df 50 μm) pro separaci vzdušných složek a CO. Teplota: 35 °C (2,5 min) → 20 °C/min → 250 °C → 15 °C/min → 270 °C.
• Kolona Micropacked ST (2 m × 1 mm I.D.) pro souběžné stanovení CO, CO2, CH4, N2O, C2H2, C2H4, C2H6. Teplotní program podobný, dosažení 265 °C.
• Vzorkování: manuální plynový sampler MGS-2010 s purge mechanismem a válcovým splitter-inj pro přesnou dávku 3 mL vzorku. Nosný plyn helium v režimu konstantní lineární rychlosti nebo tlakové programace.

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza pomocí Rt-Msieve 5A dosáhla mez detekce CO S/N = 3 na hodnotě 0,032 ppm, což výrazně překračuje požadavky normy. Chromatogram prokázal vysoké rozlišení CO vůči dusíku a kyslíku. Metoda s Micropacked ST kolonou umožnila současné stanovení sedmi nečistot s mezí detekce CO 0,078 ppm. I když je citlivost mírně nižší, stále zajišťuje spolehlivé překročení normativních limitů pro CO, pak také stanovení CO2 a nižších uhlovodíků v jediné analýze.

Přínosy a praktické využití metody

Obě metody přinášejí výrazné zjednodušení analytické sestavy oproti klasickým systémům s více detektory a kolónami:

• Zkrácení doby analýzy oddělením klíčových nečistot bez nutnosti rozsáhlých přestav.
• Vysoká citlivost a spolehlivost pomocí univerzálního detektoru BID.
• Možnost kvantifikace vzdušných složek díky MGS-2010 sampleru a splitter-inj modulům.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další rozvoj přístrojových postupů pro automatizaci vzorkování a snížení limitů detekce především pro ultracenné nečistoty. Integrace s on-line monitorovacími systémy palivových stanic a domácích jednotek by umožnila kontinuální kontrolu kvality vodíkového paliva. V kombinaci s datovou analýzou a strojovým učením lze předvídat odchylky kvality a optimalizovat údržbu zařízení.

Závěr

Představené metody pro stopovou analýzu nečistot ve vodíku kombinují vysokou citlivost a univerzálnost detekce s jednodušší instrumentací. Dosahují požadavků ISO 14687-2 pro CO a další plyny a nabízí efektivní řešení pro kontrolu kvality vodíkového paliva v palivových článcích.

Reference

• ISO 14687-2:2012: Specifikace čistoty vodíku pro palivové články.
• Shimadzu Application News No. G283, Trace Impurity Analysis of Hydrogen Fuel in Fuel Cell Vehicle-Related Fields, 2015.