11.04.2022 - The Pennsylvania State University

Un nuevo método purifica el hidrógeno a partir de mezclas pesadas de monóxido de carbono

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El refinado de metales, la fabricación de fertilizantes y la alimentación de pilas de combustible para vehículos pesados son procesos que requieren hidrógeno purificado. Pero purificar, o separar, ese hidrógeno de una mezcla de otros gases puede ser difícil, con varios pasos. Un equipo de investigación dirigido por Chris Arges, profesor asociado de ingeniería química de la Universidad de Pensilvania, demostró que el proceso puede simplificarse utilizando una bomba equipada con materiales de membrana recientemente desarrollados.

Los investigadores utilizaron una bomba de hidrógeno electroquímica para separar y comprimir el hidrógeno con una tasa de recuperación del 85% de las mezclas de gas combustible conocidas como syngas y del 98,8% de la corriente de salida del reactor de cambio de gas de agua convencional, el valor más alto registrado. El equipo detalla su método en ACS Energy Letters.

Los métodos tradicionales de separación de hidrógeno emplean un reactor de cambio de gas de agua, que implica un paso adicional, según Arges. El reactor de cambio de gas de agua convierte primero el monóxido de carbono en dióxido de carbono, que luego se somete a un proceso de absorción para separar el hidrógeno del mismo. A continuación, el hidrógeno purificado se presuriza mediante un compresor para su uso inmediato o su almacenamiento.

La clave, según Arges, es utilizar membranas electrolíticas poliméricas selectivas de protones a alta temperatura, o PEM, que pueden separar el hidrógeno del dióxido de carbono y el monóxido de carbono y otras moléculas de gas de forma rápida y económica. La bomba electroquímica, equipada con la PEM y otros nuevos materiales desarrollados por Arges, es más eficaz que los métodos convencionales porque separa y comprime simultáneamente el hidrógeno de las mezclas de gases. Además, puede funcionar a temperaturas de entre 200 y 250 grados Celsius, entre 20 y 70 grados más que otras bombas electroquímicas de tipo PEM de alta temperatura, lo que mejora su capacidad de separar el hidrógeno de los gases no deseados.

"Se trata de una forma eficaz y potencialmente rentable de purificar el hidrógeno, especialmente cuando hay un gran contenido de monóxido de carbono", afirma Arges. "Nadie ha purificado nunca el hidrógeno hasta este punto con una alimentación de gas que contuviera más de un 3% de monóxido de carbono utilizando una bomba electroquímica de hidrógeno, y lo hemos conseguido con mezclas que constan de hasta un 40% de monóxido de carbono utilizando una clase relativamente nueva de PEM de alta temperatura y materiales aglutinantes de ionómero para electrodos."

Para llevar a cabo la separación, el equipo de Arges creó un "sándwich" de electrodos, en el que los electrodos con cargas opuestas forman el "pan" y la membrana es la "carne de charcutería". Los materiales aglutinantes del ionómero de los electrodos están diseñados para mantenerlos unidos, como el gluten del pan.

En la bomba, el electrodo cargado positivamente, o la rebanada de pan, descompone el hidrógeno en dos protones y dos electrones. Los protones pasan a través de la membrana, o carne de charcutería, mientras que los electrones viajan externamente a través de la bomba mediante un cable que toca el electrodo cargado positivamente. A continuación, los protones viajan a través de la membrana hasta el electrodo cargado negativamente y se recombinan con los electrones para volver a formar el hidrógeno.

El PEM funciona permitiendo el paso de los protones pero impidiendo el de las moléculas más grandes de monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y nitrógeno, según Arges. Para que los electrodos funcionen eficazmente en la bomba de hidrógeno, Arges y su equipo sintetizaron un aglutinante especial de ionómero de ácido fosfónico que actúa como adhesivo para mantener unidas las partículas del electrodo.

"El aglutinante es eficaz para fabricar un electrodo mecánicamente robusto y poroso que permita el transporte de gas, de modo que el hidrógeno pueda reaccionar en la superficie del electrocatalizador y, al mismo tiempo, transportar protones hacia y desde la membrana", explica Arges.

Los investigadores planean investigar cómo su enfoque y sus herramientas ayudarán a purificar el hidrógeno cuando se almacene en las tuberías de gas natural existentes. La distribución y el almacenamiento de hidrógeno de esta manera nunca se han llevado a cabo, pero tienen un gran interés, según Arges. Explicó que el hidrógeno podría ayudar a generar energía eléctrica a través de una pila de combustible o un generador de turbina para apoyar los sistemas basados en la energía solar o eólica y una variedad de aplicaciones más sostenibles.

"El reto es que el hidrógeno tiene que almacenarse en bajas concentraciones en la tubería -menos del 5%- porque puede degradar la tubería, pero las aplicaciones de uso final requieren más del 99% de hidrógeno puro", dijo Arges.

Arges presentó dos solicitudes de patente en Estados Unidos sobre los componentes utilizados en esta investigación mientras era profesor de la Universidad Estatal de Luisiana. Una de ellas se refiere a los PEM de alta temperatura y la otra a la bomba de hidrógeno electroquímica que utiliza los PEM de alta temperatura y el aglutinante de electrodos de ionómero de ácido fosfónico. En la actualidad, está concediendo la licencia de la tecnología a una empresa de nueva creación que cofundó con su esposa, Hiral Arges, llamada Ionomer Solutions LLC.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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