Caracterización del hidrógeno: identificación de contaminantes en las instalaciones de la UPC Hidrogen LAB

Abstract

La producció d’hidrogen mitjançant mètodes d’electròlisi es presenta com una alternativa més sostenible, especialment quan es combina amb tecnologies renovables, fet que permet reduir significativament la seva petjada de carboni durant el procés d’obtenció. Tanmateix, la qualitat de l’hidrogen depèn tant de les condicions de l’aigua utilitzada com de l’estat de les instal·lacions i els equips emprats. En aquest treball es plantegen dues fonts principals de contaminació: l'electròlit utilitzat en l'electrolitzador i els residus metàl·lics generats durant el muntatge de les instal·lacions del UPC Hydrogen Lab. Per dur a terme la captura de contaminants sòlids, es va utilitzar un dispositiu imprès en 3D, basat en el disseny del model PSA-H70, i filtres de xeringa de 0,2 μm. Es van realitzar assaigs tant a cabal constant com mitjançant pulsacions. Les mostres obtingudes van ser caracteritzades mitjançant espectroscòpia Raman. D’una banda, es van aconseguir capturar micropartícules atribuïbles a les canonades d’acer inoxidable i, de l’altra, es van identificar fibres de vidre corresponents al recobriment del dipòsit de baixa pressió d’hidrogen. A les proves es va observar que la distribució de les partícules retingudes al filtre no era uniforme, sinó que existien concentracions o focus locals amb una acumulació més gran de sòlids. Es va estimar la mida mitjana del gra, obtenint-se un valor mitjà de 6,74 μm a partir d’unes 40 partícules observades. Així mateix, es va dur a terme una anàlisi de cromatografia de gasos (GC), emprant com a detector un detector de conductivitat tèrmica (TCD), per identificar impureses gasoses i quantificar la puresa de l’hidrogen. Per això, es van prendre mostres d’hidrogen subministrat en ampolles amb un grau de puresa 5.0. Malauradament, el mètode no va resultar tenir la sensibilitat adequada per quantificar concentracions < 0,5 ppm. Tot i aquests inconvenients, es va aconseguir estimar que la puresa de l’hidrogen embotellat era del 99,996 %.

La producción de hidrógeno mediante métodos de electrólisis se presenta como una alternativa más sostenible, especialmente cuando se combina con tecnologías renovables, lo que permite reducir significativamente su huella de carbono durante el proceso de obtención. No obstante, la calidad del hidrógeno está estrechamente relacionada tanto con las condiciones del agua utilizada como con el estado de las instalaciones y los equipos empleados. En este trabajo se plantean dos fuentes principales de contaminación, el electrolito utilizado en el electrolizador y los residuos metálicos generados durante el montaje de las instalaciones UPC Hydrogen Lab. Para llevar a cabo la captura de contaminantes sólidos, se utilizó un dispositivo impreso en 3D, basado en el diseño del modelo PSA-H70, y filtros de jeringa de 0,2 μm. Se realizaron ensayos tanto a caudal constante como mediante pulsaciones. Las muestras obtenidas fueron posteriormente caracterizadas mediante espectroscopía Raman. Por un lado, se lograron capturar micropartículas atribuibles a las tuberías de acero inoxidable y por otro, se identificaron fibras de vidrio correspondientes al recubrimiento del depósito de baja presión de hidrógeno. Durante las pruebas se observó que la distribución de las partículas retenidas en el filtro no era uniforme, sino que existían concentraciones o focos locales con una mayor acumulación de sólidos. Se estimó el tamaño medio de grano, obteniéndose un valor promedio de 6,74 μm, a partir de unas 40 partículas observadas. Asimismo, se llevó a cabo un análisis de cromatografía de gases (GC), empleando como detector un detector de conductividad térmica (TCD), con el objetivo de identificar impurezas gaseosas y cuantificar la pureza del hidrógeno. Para ello, se tomaron muestras de hidrógeno suministrado en botellas con un grado de pureza 5.0. Desafortunadamente el método no resulto tener la sensibilidad adecuada para cuantificar concentraciones < 0,5 ppm. Pese a estos inconvenientes se logró estimar que la pureza del hidrógeno embotellado era de 99,996 %.

Hydrogen production through electrolysis methods is emerging as a more sustainable alternative, especially when combined with renewable technologies, significantly reducing its carbon footprint during the production process. However, the quality of the hydrogen is closely related to both the conditions of the water used and the state of the facilities and equipment involved. This work addresses two sources of contamination: the electrolyte used in the electrolyser and the metallic residues generated during the assembly of the UPC Hydrogen Lab installations. To capture solid contaminants, a 3D-printed device based on the PSA-H70 model design and 0.2 μm syringe filters were used. Tests were conducted under both constant flow and pulsed flow conditions. The collected samples were subsequently characterized using Raman spectroscopy. On one hand, microparticles attributable to stainless steel pipes were captured, and on the other hand, glass fibres corresponding to the coating of the low-pressure hydrogen tank were identified. During testing, it was observed that the distribution of particles retained in the filter was not uniform; instead, there were localized concentrations or hotspots with greater accumulation of solids. The average grain size was estimated from about 40 observed particles, yielding a mean value of 6.74 μm. In addition, a gas chromatography (GC) analysis was performed using a thermal conductivity detector (TCD) to identify gaseous impurities and quantify the purity of the hydrogen. For this purpose, hydrogen samples from bottles with a grade 5.0 purity were analysed. Unfortunately, the method did not have the necessary sensitivity to quantify concentrations below 0.5 ppm. Despite these limitations, the bottled hydrogen was estimated to have a purity of 99.996%.