Indipendentemente dal fatto che l'idrogeno provenga da una fonte grigia, blu o verde, il suo grado di purezza diventa fondamentale quando la destinazione finale è una cella a combustibile. La sfida analitica è notevole: i limiti di impurità sono espressi in parti per miliardo (ppb) per diversi composti chimici e la calibrazione degli analizzatori che verificano questi limiti è tutt'altro che banale.
Perché i limiti di purezza dell'idrogeno combustibile sono così bassi?
La prima domanda che qualsiasi chimico analitico si pone quando legge i livelli massimi di impurità autorizzati è: perché questi limiti sono così bassi?
La risposta sta nel modo in cui gli ingegneri delle celle a combustibile hanno stabilito queste soglie, partendo dai requisiti di prestazione. Una cella a combustibile utilizzata come generatore per il motore di un veicolo deve funzionare per 200.000 km (125.000 miglia) senza interventi di manutenzione importanti o guasti.
Le impurità contenute nel combustibile a idrogeno si depositano sulla superficie della cella a combustibile, riducendone l'attività catalitica e, quindi, le prestazioni del motore. Poiché si tratta di un fenomeno cumulativo, gli ingegneri hanno calcolato la massa totale ammissibile di ciascun contaminante per l'intera durata di vita del veicolo. Questo calcolo è stato formalizzato nella norma ISO 14687, lo standard internazionale che definisce la qualità del combustibile a idrogeno per le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM).
Il metodo è semplice: si prende la massa massima tollerabile di una data impurità, la si divide per la quantità totale di idrogeno consumata durante la vita utile del veicolo (espressa in massa o volume) e il risultato è la concentrazione massima per quel composto. Una logica semplice, ma che porta a concentrazioni a livello di tracce, spesso nell'ordine dei ppb o addirittura inferiori ai ppb.
Due sfide importanti per il chimico analitico
L'analista responsabile della certificazione della qualità dell'idrogeno come combustibile deve affrontare due sfide simultanee:
1. trovare lo strumento analitico giusto in grado di rilevare e quantificare le impurità a livelli di ppb
2. ottenere regolarmente gas di calibrazione affidabili a quegli stessi livelli di concentrazione, con valori di incertezza tracciabili e ristretti.
Il problema degli standard di gas certificati commerciali
Per la maggior parte dei composti elencati nella norma ISO 14687, i gas di calibrazione certificati commerciali ai livelli di traccia richiesti semplicemente non esistono o presentano gravi limitazioni:
• tempi di consegna lunghi e variabili (diverse settimane)
• breve durata di conservazione, talvolta fino a un minimo di 3 mesi per i composti reattivi in tracce
• elevata incertezza certificata: dal 10 al 20%, che si riflette direttamente nell'incertezza di misura del risultato finale
• costo molto elevato: minore è la concentrazione, più costosa è la bombola certificata.
Anche quando gli standard commerciali si avvicinano ai livelli di concentrazione target, possono differire di uno o due ordini di grandezza, richiedendo ulteriori fasi di diluizione che introducono ulteriore incertezza.
La soluzione del diluitore di gas: calibrazione in loco a qualsiasi concentrazione
Questa applicazione impegnativa è un caso da manuale per un diluitore di gas di precisione. GasMix™, in particolare i modelli Zephyr II e Aïolos III, diluisce automaticamente un gas madre certificato a qualsiasi concentrazione target, con calcolo continuo e automatico dell'incertezza del gas prodotto.
Il punto di partenza è uno standard di gas concentrato, certificato e disponibile in commercio: stabile, economico, certificato per un massimo di cinque anni e con un valore di incertezza molto ridotto sulla sua concentrazione. GasMix™ esegue una diluizione dinamica secondo la norma ISO 6145 7, producendo miscele di calibrazione tracciabili su richiesta, a qualsiasi concentrazione compresa tra lo standard originario e il diluente.
Vantaggi chiave per l'analisi del combustibile a idrogeno
• Generazione di gas di calibrazione esattamente alla concentrazione richiesta, compreso il bracketing della concentrazione del campione sconosciuto per una maggiore precisione
• Eliminazione della necessità di disporre di più bombole certificate costose a concentrazioni diverse
• Riduzione delle scorte, semplificazione della logistica e miglioramento della sicurezza del laboratorio
• Tracciabilità completa: audit trail, calcolo automatico dell'incertezza e report in formato PDF
• Compatibile con composti aggressivi: composti di zolfo, NOx, NH₃, COV e altro ancora.
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Articolo a cura di Alytech