Monitoring gazów śladowych. Kontrola jakości H2.

Stacja ładowania wodoru - kontrola jakości wodoru pod kątem FCV.

W ostatnich latach w kwestiach środowiskowych głównym problemem społecznego niepokoju, jest wodór jako nowe źródło energii oraz jego wykorzystanie, które rozpowszechni się w przyszłości. Stacje tankowania wodoru do pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi, są główną przyczyną gwałtownego przyspieszenia wykorzystania tego paliwa.

Obecnie, większość paliw wodorowych pochodzi z gazu ziemnego a norma ISO 14687 określa standard ich jakości w stosunku do związków FCV. Standardy zanieczyszczeń oznaczają wskaźnik tolerancji dla katalizatora ogniwa paliwowego, który może obniżyć osiągi pojazdu napędzanego wodorem. Jakość wodoru ma kluczowe znaczenie dla wydajności i żywotności wodorowych ogniw paliwowych. W związku z powyższym, wyzwaniem jest zapewnienie wysokiej jakości wodoru przy niskich kosztach.

W związku z koniecznością wytworzenia wysokiej jakości wodoru w większych ilościach i po niższych kosztach, zaistniała potrzeba rozwoju technologii procesu produkcyjnego i ulepszania wydajności adsorpcji i regeneracji poprzez monitorowanie całego procesu produkcyjnego oraz analizy samych katalizatorów i materiałów użytych w procesie. Wśród technologii produkcji wodoru szeroko stosowany jest reforming parowy, jako najbardziej efektywny sposób produkcji dużych ilości wodoru.

Dlaczego warto mierzyć CO podczas adsorpcji wahań ciśnienia

CO jest jednym z najbardziej niepożądanych zanieczyszczeń w ogniwach paliwa wodorowego, z powodu trudności w usunięciu i zatrucia katalizatora, które mogą prowadzić do spadku napięcia. W normach jakości wodoru ISO-14687 (tabela 2: ISO14687-3:2019) wymienionych jest wiele zanieczyszczeń, które należy monitorować w bardzo niskich stężeniach, jednakże monitorowanie każdego zanieczyszczenia jest bardzo trudne i kosztowne.

Rozwiązaniem jest metoda zarządzania zanieczyszczeniami (tabela 3), która jest określona w normie ISO. Metoda jest oparta na indeksie, którego wyznacznikiem jest składnik usuwany w najmniejszym stopniu na etapie oczyszczania wodoru i łatwo się mieszający się z produktem. Tlenek węgla, będący jednym z zanieczyszczeń wodoru, jest określany wyznacznikiem dla indeksu. Wysoką jakość wodoru można uzyskać poprzez ciągły monitoring stężenia CO, za pomocą analizatora podczerwieni. Powodem, dla którego CO jest składnikiem najmniej usuwanym/wyznacznikiem dla indeksu, jest fakt, że jest to składnik przebijający złoże w PSA. Gdy adsorbent w adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA), osiągnie poziom nasycenia i pogorszą się warunki jego pracy, wówczas CO wydobywa się z niego jako pierwszy.

Analizator gazów śladowych (GA-370) firmy HORIBA służy do monitorowania istotnego składnika zanieczyszczenia wodoru, jakim jest CO, Tlenek węgla należy kontrolować na wylocie z w jednostki adsorpcji wahań ciśnienia.

Konfiguracja analizatora HORIBA

Analizator gazów śladowych GA-370, daje potężne rozwiązanie analityczne do ciągłego monitoringu CO na poziomie sub-ppb, na wyjściu z jednostki adsorpcji wahań ciśnienia (PSA). Wykorzystuje on zasadę zwaną krzyżową modulacją podwójnej wiązki nie-dyspersyjnej podczerwieni Technologia ta cechuje się zerowym dryftem i niezawodnym, ultraczułym wykrywaniem śladowych ilości cząsteczek zanieczyszczeń, żeby zapewnić dobrą jakość wodoru, wytwarzanego przez ogniwa paliwowe. Zaprojektowany przez firmę HORIBA analizator nie wymaga rutynowych cykli kalibracji i zapewnia długoterminowy stabilny pomiar oraz ciągłe bezobsługowe działanie. Każdy element w analizatorze został wybrany w taki sposób, aby zapewnić najwyższą niezawodność, dokładność i czułość, żeby usatysfakcjonować najbardziej wymagające branże i zastosowania. Ekonomiczne, wyjątkowo stabilne i ultra wrażliwe rozwiązanie dla zarządzania i kontroli, w trakcie wytwarzania wysokiej jakości wodoru.

Asortyment analizatorów N2O w podziale na zastosowanie:

Oryginalny NDIR firmy HORIBA wykorzystujący technikę krzyżowej modulacji jest wyposażony w jedną komorę pomiarową. Istotnym elementem konstrukcyjnym jest elektrozawór, który przełącza się w stałych odstępach czasu i wprowadza naprzemiennie gaz pomiarowy i gaz odniesienia (gaz zerowy) do komory pomiarowej W tej metodzie, podział na pomiar próbki gazowej oraz gaz odniesienia został wyeliminowany. Ta sama ścieżka optyczna naprzemiennie działa jako ścieżka pomiarowa oraz ścieżka odniesienia. Obecność CO, CO2 i/lub CH4 w próbce gazu generuje różnicę w natężeniu światła, które dociera do detektora, gdy cela jest wypełniona próbką gazu w porównaniu z sytuacją, gdy cela jest wypełniona gazem odniesienia. Różnica ta powoduje ruch membrany w detektorze, co odpowiada wartości stężenia.

Cząsteczki złożone z różnych atomów są znane z pochłaniania światła podczerwonego, w określonym zakresie długości fal.

Nie-dyspersyjny analizator podczerwieni (NDIR) wykorzystuje właściwości fizyczne cząsteczek. W próbie gazowej wykonuje on pomiar absorpcji światła podczerwonego w określonej długości fali dla CO, CO2 i/lub CH4 i zapewnia ciągły odczyt ich stężenia.

Standardowa technika NDIR wykorzystywała kiedyś dwie cele pomiarowe i mechaniczny modulator wiązki lasera, służący do modulacji sygnału.

Ta technika pomiarowa eliminuje potrzebę instalacji mechanicznego modulatora wiązki oraz regulacji optycznych, umożliwia zerowy dryft dla pomiarów, zwiększa czułość i zapewnia długoterminową stabilność.

Podczerwień NDIR z krzyżową modulacją i podwójną wiązką, jest tą samą techniką, co modulacja krzyżowa opisana powyżej, ale zamiast jednej komory pomiarowej, gaz pomiarowy i gaz odniesienia wprowadzane są naprzemiennie do dwóch komór pomiarowych (rysunek 3). Dostarczanie sygnału z dwóch komór pomiarowych, powoduje uzyskanie podwójnej ilość sygnału, co przekłada się na dużą czułość pomiaru.

Ponadto, stosunek sygnału do szumu jest znacznie lepszy, ponieważ wyeliminowany został mechaniczny modulator wiązki, który miał tendencję do tworzenia znaczących szumów w konwencjonalnym NDIR.

W tej technologii przyjęty został również system podwójnego detektora, aby zminimalizować interferencje ze współistniejącymi, innymi nie mierzonymi komponentami w próbce gazu. Detektor kompensacyjny znajduje się za detektorem głównym Sygnał składowej pomiarowej i składowej interferencyjnej jest odczytywany przez detektor główny, natomiast sygnał składnika interferencyjnego jest odczytywany tylko przez detektor kompensacyjny Sygnały te są wzmacniane i obliczane przez odejmowanie, żeby wyodrębnić dane wyjściowe tylko dla składnika pomiarowego. Taka konstrukcja podwójnego detektora umożliwia bardzo dokładny pomiar i precyzję na poziomie ppb.