Une nouvelle méthode permet de purifier l'hydrogène à partir de mélanges lourds de monoxyde de carbone
Concéder une licence pour la technologie d'une start-up
Le raffinage des métaux, la fabrication d'engrais et l'alimentation des piles à combustible des véhicules lourds sont autant de processus qui nécessitent de l'hydrogène purifié. Mais la purification, ou la séparation, de cet hydrogène d'un mélange d'autres gaz peut s'avérer difficile, avec plusieurs étapes. Une équipe de recherche dirigée par Chris Arges, professeur associé de génie chimique à Penn State, a démontré que le processus pouvait être simplifié à l'aide d'une pompe équipée de matériaux membranaires nouvellement développés.
Arges a déposé deux demandes de brevet américain sur les composants utilisés dans cette recherche : L'une sur les PEM à haute température, et l'autre sur la pompe à hydrogène électrochimique utilisant les PEM à haute température et le liant d'électrode ionomère d'acide phosphonique.
Kelby Hochreither, Penn State
Les chercheurs ont utilisé une pompe à hydrogène électrochimique pour séparer et comprimer l'hydrogène avec un taux de récupération de 85 % à partir de mélanges de gaz combustibles connus sous le nom de gaz de synthèse et un taux de récupération de 98,8 % à partir du flux de sortie d'un réacteur conventionnel à déplacement de gaz à l'eau - la valeur la plus élevée enregistrée. L'équipe a détaillé son approche dans ACS Energy Letters.
Les méthodes traditionnelles de séparation de l'hydrogène font appel à un réacteur à déplacement de gaz à l'eau, ce qui implique une étape supplémentaire, selon M. Arges. Le réacteur à déplacement de gaz à l'eau convertit d'abord le monoxyde de carbone en dioxyde de carbone, qui est ensuite soumis à un processus d'absorption pour en séparer l'hydrogène. L'hydrogène purifié est ensuite pressurisé à l'aide d'un compresseur pour être utilisé immédiatement ou pour être stocké.
Selon M. Arges, la solution consiste à utiliser des membranes électrolytiques polymères (PEM) à haute température et sélectives vis-à-vis des protons, qui peuvent séparer l'hydrogène du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et d'autres molécules gazeuses de manière rapide et rentable. La pompe électrochimique, équipée de la PEM et d'autres nouveaux matériaux développés par Arges, est plus efficace que les méthodes conventionnelles car elle sépare et comprime simultanément l'hydrogène des mélanges gazeux. Elle peut également fonctionner à des températures de 200 à 250 degrés Celsius, soit 20 à 70 degrés de plus que les autres pompes électrochimiques de type PEM à haute température, ce qui améliore sa capacité à séparer l'hydrogène des gaz indésirables.
"Il s'agit d'un moyen efficace et potentiellement économique de purifier l'hydrogène, en particulier lorsque la teneur en monoxyde de carbone est importante", a déclaré M. Arges. "Personne n'a jamais purifié l'hydrogène à ce point avec une alimentation en gaz contenant plus de 3 % de monoxyde de carbone à l'aide d'une pompe à hydrogène électrochimique, et nous y sommes parvenus avec des mélanges composés jusqu'à 40 % de monoxyde de carbone en utilisant une classe relativement nouvelle de matériaux de liant PEM et ionomère d'électrode à haute température."
Pour réaliser la séparation, l'équipe d'Arges a créé un "sandwich" d'électrodes, où les électrodes à charges opposées forment le "pain" et la membrane la "charcuterie". Les matériaux liants ionomères des électrodes sont conçus pour maintenir les électrodes ensemble, comme le gluten du pain.
Dans la pompe, l'électrode chargée positivement, ou tranche de pain, décompose l'hydrogène en deux protons et deux électrons. Les protons traversent la membrane, ou la charcuterie, tandis que les électrons voyagent à l'extérieur de la pompe grâce à un fil qui touche l'électrode chargée positivement. Les protons traversent ensuite la membrane jusqu'à l'électrode chargée négativement et se recombinent avec les électrons pour reformer l'hydrogène.
La PEM fonctionne en permettant le passage des protons, mais en empêchant les grosses molécules de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone, de méthane et d'azote de passer, selon M. Arges. Pour que les électrodes fonctionnent efficacement dans la pompe à hydrogène, Arges et son équipe ont synthétisé un liant ionomère spécial à base d'acide phosphonique qui agit comme un adhésif pour maintenir les particules de l'électrode ensemble.
"Le liant est efficace pour fabriquer une électrode poreuse mécaniquement robuste qui permet le transport de gaz afin que l'hydrogène puisse réagir sur la surface de l'électrocatalyseur tout en faisant la navette entre les protons et la membrane", a déclaré Arges.
Les chercheurs prévoient d'étudier comment leur approche et leurs outils contribueront à purifier l'hydrogène lorsqu'il est stocké dans les pipelines de gaz naturel existants. La distribution et le stockage de l'hydrogène de cette manière n'ont jamais été réalisés, mais présentent un grand intérêt, selon M. Arges. Il a expliqué que l'hydrogène pourrait contribuer à la production d'énergie électrique par le biais d'une pile à combustible ou d'un générateur à turbine pour soutenir les systèmes à base d'énergie solaire ou éolienne et toute une série d'applications plus durables.
"Le défi est que l'hydrogène doit être stocké à de faibles concentrations dans le pipeline - moins de 5 % - car il peut dégrader le pipeline, mais les applications finales nécessitent de l'hydrogène pur à plus de 99 %", a déclaré M. Arges.
M. Arges a déposé deux demandes de brevet américain pour des composants utilisés dans le cadre de ces recherches alors qu'il faisait partie du corps enseignant de la Louisiana State University. L'une porte sur les PEM à haute température et l'autre sur la pompe à hydrogène électrochimique utilisant les PEM à haute température et le liant d'électrode ionomère d'acide phosphonique. Il concède actuellement une licence pour cette technologie à une jeune entreprise qu'il a cofondée avec sa femme, Hiral Arges, appelée Ionomer Solutions LLC.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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