精煉金屬、制造化肥和為重型車輛提供燃料電池動力都是需要純化氫的過程。但是從其他氣體的混合物中純化或分離氫氣可能很困難，需要幾個步驟。由賓夕法尼亞州立大學化學工程副教授ChrisArges領導的一個研究小組證明，可以使用配備新開發(fā)的膜材料的泵簡化該過程。

研究人員使用電化學氫泵分離和壓縮氫氣，從稱為合成氣的燃料氣體混合物的回收率為85%，從傳統(tǒng)的水煤氣變換反應器出口流的回收率為98.8%，這是記錄的最高值。該團隊在ACSEnergyLetters中詳細介紹了他們的方法。

據Arges稱，傳統(tǒng)的氫氣分離方法采用水煤氣變換反應器，這涉及一個額外的步驟。水煤氣變換反應器首先將一氧化碳轉化為二氧化碳，然后將其送入吸收過程以從中分離出氫氣。然后，使用壓縮機對純化的氫氣進行加壓，以便立即使用或儲存。

Arges說，關鍵是使用高溫、質子選擇性聚合物電解質膜或PEM，它可以快速且經濟高效地將氫氣與二氧化碳、一氧化碳和其他氣體分子分離。配備PEM和Arges開發(fā)的其他新材料的電化學泵比傳統(tǒng)方法更有效，因為它同時從氣體混合物中分離和壓縮氫氣。它還可以在200到250攝氏度的溫度下運行——比其他高溫PEM型電化學泵高20到70度——這提高了它從不需要的氣體中分離氫氣的能力。

“這是一種有效且可能節(jié)省成本的提純氫氣的方法，尤其是在一氧化碳含量較高的情況下，”Arges說。“從來沒有人使用電化學氫泵將氫氣提純到這種程度，其中含有超過3%一氧化碳的氣體進料，我們通過使用一種相對較新的類別，通過含有高達40%一氧化碳的混合物實現了這一目標高溫PEM和電極離聚物粘合劑材料。”

為了進行分離，Arges的團隊創(chuàng)造了一個電極“三明治”，其中帶有相反電荷的電極形成“面包”，而膜是“熟食肉”。電極離聚物粘合劑材料旨在將電極保持在一起，就像面包的面筋一樣。

在泵中，帶正電的電極或面包片將氫分解成兩個質子和兩個電子。質子通過膜或熟肉，而電子使用接觸帶正電電極的導線通過泵從外部傳播。然后質子穿過膜到達帶負電的電極并與電子重新結合以重新形成氫。

根據Arges的說法，PEM的工作原理是允許質子通過，但阻止較大的一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氮分子通過。為了使電極在氫泵中有效工作，Arges和他的團隊合成了一種特殊的膦酸離聚物粘合劑，作為粘合劑將電極顆粒保持在一起。

“粘合劑對于制造機械堅固的多孔電極是有效的，該電極允許氣體傳輸，因此氫氣可以在電催化劑表面發(fā)生反應，同時也可以將質子穿梭進出膜，”Arges說。

研究人員計劃研究他們的方法和工具將如何幫助純化儲存在現有天然氣管道中的氫氣。據Arges稱，以這種方式分配和儲存氫氣從未實現過，但卻引起了極大的興趣。他解釋說，氫可以幫助通過燃料電池或渦輪發(fā)電機發(fā)電，以支持基于太陽能或風能的系統(tǒng)以及各種更可持續(xù)的應用。

“挑戰(zhàn)在于氫氣必須以低于5%的低濃度儲存在管道中，因為它會降低管道的性能，但最終用途需要超過99%的純氫氣，”Arges說。