杨占强，郑洪国 “氢”洁能源 随着应对全 球气候变化的担子越来越重，清洁能源的开发目前已成为各国能源发展的重中之重。氢能作为一种清洁高效的新能源，由于其灵活高效、清洁低碳、应用广泛，正在成为全 球争相发展的未来能源新星。故发展氢能技术对于构建清洁低碳、安全高效现代能源体系，保障国家能源安全，改善大气环境质量，以及推进能源产业升级等具有重要意义。 导 读 ” 为促进我国氢能产业规范有序高质量发展，2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》。在《规划》中科学分析了我国氢能产业的发展现状、明确了氢能在我国能源绿色低碳转型中的战略定位、总体要求和发展目标，从氢能创新体系、基础设施、多元应用、政策保障、组织实施等几个方面构建了我国氢能战略发展的蓝图。 什么是氢能？ 氢（Hydrogenium），是一种化学元素，元素符号H，在元素周期表中位于第 一位。氢通常的单质形态是氢气，无色无味无臭，是一种极易燃烧的由双原子分子组成的气体，也是宇宙中最为丰富、最轻的物质。 氢能则是通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能是一种可再生的、清洁高效的二次能源。 氢燃料电池汽车用氢气指标要求 氢能被称为 21 世纪的“终 极能源”，如何高效利用氢能一直是能源行业密切关注的话题。燃料电池汽车（FCV）是当前高效清洁利用氢能的最 佳工具和主要形式之一，与其相关的技术研究在国际范围内也已取得重大突破，并在多个应用领域内已开始进入商业化运营阶段。目前，多国政府均已出台氢能及燃料电池发展的战略路线图。 燃料电池汽车（FCV）是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气（工作原理见上图）。FCV以氢气作燃料可解决传统内燃机汽车所带来的排放污染和大量石化能源消耗问题。但氢燃料的纯度特别是氢气中一些痕量杂质的存在将影响燃料电池的催化剂性能和使用寿命。为保证FCV所用氢气的品质，国际标准化组织（ISO）、美国汽车工程师学会（SAE）及我国国标（GB）提出的ISO14687－2∶2012、SAE J2719∶2015和GB/T 37244－2018标准中均对各杂质含量提出相应的限值要求。 参考以上标准，我们不难发现氢燃料的杂质指标要求中，与离子色谱相关的指标主要有总卤化物、甲酸、氨和总硫化物。作为全 球科学服务领域的领 导者、离子色谱领域的领头羊，赛默飞始终紧跟行业发展动态，依托硬核产品实力，为氢能及燃料电池行业的稳固发展保驾护航。 赛默飞离子色谱“全家福” 赛默飞离子色谱解决方案展示： 方案一： 氢燃料中总卤素和总硫的分析 卤化物对氢燃料电池性能有不可逆的影响，吸附在催化剂层上的卤化物会减少催化表面积，降低电池性能。氯化物通过形成可溶性氯化物络合物并沉积在燃料电池膜中来促进铂的溶解。氢燃料中总卤化物主要包括以氯化氢（HCl）、氯气（Cl2）、溴化氢（HBr）和有机卤化物（R－X）等各种形态存在的卤化物。 硫化物的存在会导致催化剂中毒，形成稳定的硫化铂，占据催化剂的吸附活性位点，导致氢燃料电池性能不可逆地下降。氢燃料中的硫化物主要包括硫化氢（H2S）、羰基硫（COS）、甲硫醇（CH3SH）和二硫化碳（CS2）等。 针对氢燃料中的总卤素和总硫，赛默飞推荐的方案是采用在线燃烧离子色谱（CIC）来进行测定。采用在线燃烧释放-在线吸收-在线进样的全自动化测定方案，在持续的高纯氩气和高纯氧气吹扫氛围中，卤素和硫被高温燃烧裂解释放，尾气被吸收液完全吸收后，注入离子色谱完成卤素和硫含量的同时分析。 滑动查看更多 该方案具有以下技术优势： 一次进样可同时分析样品中总卤素和总硫； 可测定限度低至ppb级别； 燃烧过程实时监控，可选精细燃烧模式，保证样品充分燃烧，重复性好； 有机卤素释放彻底，在吸收液中完全以离子的形式存在，样品基质完全消除； 特色“只加水”氢氧根体系及高容量离子交换色谱柱，提供高基体样品基质兼容能力，可满足高盐含量环境样品中痕量氟的检测； 样品及标样均通过同一燃烧通道，保证测定结果的准确性； 全自动化的燃烧-吸收-分析过程，人工干预少，空白低，测定结果准确度和精密度高。 方案二： 氢燃料中甲酸的分析 甲酸是天然气或甲醇重整过程中产生的中间产物，其毒化机理类似于CO影响催化剂活性，对氢燃料电池性能造成可逆影响。因此，做好甲酸的定量分析将为进一步规范燃料氢中的杂质指标提供重要支撑。 目前测定甲酸的分析方法主要有红外光谱法、气相色谱法、气相色谱-质谱法以及离子色谱法。但与其他分析方法相对比，离子色谱法可结合吸收、富集甲酸，继而可获得较低的检出限。方案中采用赛默飞特有的高容量色谱柱，利用梯度洗脱，可以轻松测定氢燃料中甲酸含量，同时氟、乙酸、甲基磺酸等不干扰其测定。 图 IC测定氢燃料中甲酸 方案三： 氢燃料中氨的分析 氢燃料中含有的微量NH3及质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）运行过程中燃料中的H2和N2反应生成的微量NH3都会影响电池的性能。相关研究认为，NH3与质子交换膜中的质子反应生成NH4+，取代了电解质膜中的H+，导致电解质膜的传质能力下降，使电池性能产生不可逆的衰退。 对于氨的测定，可采用多种分析技术。但离子色谱法因其具有便捷性和高选择性的突出特点而受到广泛关注。 图 IC测定氢燃料中氨 方案四： 燃料电池排水中氟的分析 氢燃料电池中，质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)的功能是为质子迁移和传输提供通道、分离气体反应物并阻隔电子和其他离子。质子交换膜是氢燃料电池的核心基础材料之一，其性能的优劣直接决定着电池的性能和使用寿命。而该膜通常为全氟化磺酸制成，故可通过离子色谱检测氢燃料电池排水中氟的含量，从而对质子交换膜进行质量监控和寿命监测。 图 IC测定氢燃料电池排水中的氟离子 总结 氢燃料电池汽车（FCV）用氢气中痕量杂质会影响氢燃料电池的性能，需开发合适的分析检测方法来对氢气品质进行严格控制。而离子色谱法操作简单、分析快速、灵敏度高、选择性好、可多组分检测，故适用于氢燃料中总卤化物、甲酸、氨和总硫化物的分析。
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