Micro GC Analysis of Permanent Gas Impurities in PEM Fuel Cell-Grade Hydrogen

Význam tématu

Čistota vodíku je klíčová pro dlouhodobou spolehlivost a účinnost palivových článků na bázi protonově vodivé membrány (PEM). I malé množství stopových plynů může snížit výkon článku, urychlit degradaci katalyzátoru nebo ovlivnit bezpečnost provozu. Standardy SAE J2719, ISO 14687, EN 17124 a ISO 19880-8 stanovují limity pro obsah kontaminantů v palivovém článku grade vodíku, přičemž požadavky pro PEM aplikace jsou nejpřísnější.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo vytvořit rychlou a přesnou metodu pro stanovení stálých plynů (He, Ne, Ar, O₂, N₂, CH₄) v ultračistém PEM grade vodíku, splňující výše uvedené normy. Metoda využívá Agilent 990 Micro GC s MEMS termoionizačním detektorem (µTCD) a jediný 20 m kolona MS5A pro separaci vybraných kontaminantů v čase kratším než pět minut. Studie hodnotí přesnost, opakovatelnost, detekční limity a dlouhodobou stabilitu metody.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda pracuje s kontinuálním tokem vzorku pomocí vodíku jako nosného plynu. Kolona 20 m MS5A pracuje při 30 °C a injektor je udržován na 50 °C. Tlak v koloně je nastaven na 120 kPa, doba injekce činí 200 ms. Technika umožňuje potlačit hlavní špičku vodíku, čímž se zlepšuje detekce He a Ne. Separace Ar/O₂, i když není plně baseline, je dostatečná pro kvantifikaci nízkých ppm úrovní kyslíku ve přítomnosti až 300 ppm argonu.

Použitá instrumentace

• Agilent 990 Micro GC se dvěma 20 m molsieve MS5A kolónami
• MEMS termoionizační detektor (µTCD)
• Nosný plyn: vodík
• Injektor s teplotou 50 °C a tlakem 120 kPa

Hlavní výsledky a diskuse

Jednobodová kalibrace pro He, Ar, O₂, N₂ a CH₄ prokázala recoveries 98,6–100,1 % a detekční limity (MDL) pod 2 ppm (pro O₂ 0,3 ppm). Opakovatelnost v rámci dne dosáhla 0,04–0,40 %, u O₂ kvůli nízké koncentraci 1,8 %. Dlouhodobá přesnost (20 dní) ukázala hodnoty 0,2–0,4 % (u O₂ 2,2 %). Rozdíly mezi normami SAE J2719, ISO a EN pro maximální přípustné koncentrace kontaminantů byly shrnuty a všechny požadavky plně splněny.

Přínosy a praktické využití metody

Rychlost analýzy (< 5 min) umožňuje 10–12 vzorků za hodinu, což je výhodné pro průběžnou kontrolu kvality vodíku na čerpacích stanicích a v průmyslových provozech. Metoda poskytuje vysokou přesnost a citlivost pro nejkritičtější kontaminant – kyslík – a zároveň pokrývá hlavní permanentní plyny bez potřeby složitých preparativních kroků.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace mikroGC do automatizovaných stanic pro monitorování kvality vodíku v reálném čase.
• Rozšíření metody o stanovení oxidů uhlíku, amoniaku a těkavých organických sloučenin za pomocí dalších kolón a detektorů.
• Vývoj MEMS detektorů s nižšími detekčními limity pro sub-ppm měření CO₂ a CO.
• Propojení s digitálními platformami pro analýzu dat a prediktivní údržbu palivových článků.

Závěr

Agilent 990 Micro GC nabízí rychlou, přesnou a reprodukovatelnou metodu pro stanovení klíčových permanentních plynů v PEM grade vodíku, splňující požadavky SAE J2719 a souvisejících norem. Metoda je vhodná pro QA/QC aplikace díky vysoké propustnosti, nízkým detekčním limitům a dlouhodobé stabilitě.

Reference

1. Bu, T. Hydrogen Impurity Analysis Using the Agilent 990 Micro GC. Agilent Technologies application note, 5994-2138EN, 2020.
2. Bajja, M.; van Loon, R. Permanent Gas Analysis – Separation of Argon and Oxygen on a MolSieve 5Å Column using the Agilent 490 Micro GC. Agilent application note, 5990-8700EN, 2011.
3. van Loon, R. Permanent Gas Analysis – Separation of Helium, Neon and Hydrogen on a MolSieve 5Å Column using the Agilent 490 Micro GC. Agilent application note, 5990-8527EN, 2011.