Исследователи использовали электрохимический водородный насос как для отделения, так и для сжатия водорода со скоростью извлечения 85% из смесей топливных газов, известных как синтез-газ, и 98,8% из потока на выходе из обычного водогазового реактора - самое высокое зарегистрированное значение. Команда подробно описала свой подход в Энергетические письма ACS.

Традиционные методы разделения водорода используют водогазовый реактор сдвига, который, по словам Аргеса, включает в себя дополнительную стадию. Водогазовый реактор сначала преобразует монооксид углерода в диоксид углерода, который затем проходит процесс абсорбции для отделения от него водорода. Затем очищенный водород подвергается сжатию с помощью компрессора для немедленного использования или для хранения.

Ключевым моментом, по словам Аргеса, является использование высокотемпературных протонселективных полимерных электролитных мембран, или ПЭМ, которые могут быстро и экономично отделять водород от диоксида углерода, монооксида углерода и других молекул газа. Электрохимический насос, оснащенный PEM и другими новыми материалами, разработанными Arges, более эффективен, чем обычные методы, поскольку он одновременно отделяет и сжимает водород из газовых смесей. Он также может работать при температурах от 200 до 250 градусов Цельсия - на 20-70 градусов выше, чем у других высокотемпературных электрохимических насосов типа PEM, - что улучшает его способность отделять водород от нежелательных газов.

"Это эффективный и потенциально экономичный способ очистки водорода, особенно при большом содержании монооксида углерода", - сказал Аргес. "Никто никогда не очищал водород до такой степени с помощью подачи газа, содержащего более 3% монооксида углерода, с использованием электрохимического водородного насоса, и мы достигли этого со смесями, состоящими до 40% монооксида углерода, используя относительно новый класс высокотемпературных ПЭМ и электродных иономерных связующих материалов."

Чтобы осуществить разделение, команда Арджеса создала электродный "сэндвич", где электроды с противоположными зарядами образуют "хлеб", а мембрана - "мясной деликатес". Иономерные связующие материалы для электродов предназначены для удержания электродов вместе, подобно клейковине хлеба.

В насосе положительно заряженный электрод, или ломтик хлеба, расщепляет водород на два протона и два электрона. Протоны проходят через мембрану или мясные деликатесы, в то время как электроны перемещаются снаружи через насос с помощью провода, который касается положительно заряженного электрода. Затем протоны проходят через мембрану к отрицательно заряженному электроду и рекомбинируют с электронами, вновь образуя водород.

По словам Аргеса, PEM работает, позволяя проходить протонам, но препятствуя проникновению более крупных молекул монооксида углерода, двуокиси углерода, метана и азота. Чтобы электроды эффективно работали в водородном насосе, Аргес и его команда синтезировали специальное связующее из иономеров фосфоновой кислоты, которое действует как клей, удерживающий частицы электрода вместе.

"Связующее эффективно для изготовления механически прочного пористого электрода, который обеспечивает транспортировку газа, чтобы водород мог реагировать на поверхности электрокатализатора, одновременно перенося протоны к мембране и от нее", - сказал Аргес.

Исследователи планируют исследовать, как их подход и инструменты помогут в очистке водорода при хранении в существующих трубопроводах природного газа. Распределение и хранение водорода таким образом никогда не было осуществлено, но, по словам Аргеса, представляет большой интерес. Он объяснил, что водород может помочь в выработке электроэнергии с помощью топливных элементов или турбогенератора для поддержки систем, основанных на солнечной или ветровой энергии, и множества более устойчивых применений.

"Проблема заключается в том, что водород должен храниться в трубопроводе при низких концентрациях - менее 5% - потому что это может привести к ухудшению качества трубопровода, но для конечного использования требуется более 99% чистого водорода", - сказал Аргес.

Аргес подал две заявки на патент США на компоненты, используемые в этом исследовании, когда он преподавал в Университете штата Луизиана. Один - на высокотемпературном ПЭМс, а другой - на электрохимическом водородном насосе с использованием высокотемпературного ПЭМс и связующего электрода из иономера фосфоновой кислоты. В настоящее время он лицензирует технологию для начинающей компании, которую он основал вместе со своей женой Хирал Аргес, под названием Ionomer Solutions LLC.

Дипра Бхаттачарья, докторант Пенсильванского государственного университета в области химической инженерии, является соавтором статьи. Среди других авторов - Гокул Венугопалан, постдокторант Исследовательского центра химии и нанонауки Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Голдене, штат Колорадо, и бывший докторант Arges; и Эван Эндрюс, Луис Брисено-Мена, Хосе Романьоли и Джон Флэйк, исследователи химической инженерии из Университета штата Луизиана.

Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США профинансировало эту работу.