Analysis Solutions for Quality Control of Hydrogen

Význam tématu

Vodíková energetika slibuje čisté palivo pro domácí i dopravní aplikace. Pro zajištění spolehlivosti a dlouhodobé výkonnosti palivových článků je však zásadní přísná kontrola čistoty vodíku, jeho nosičů a materiálů nádrží. Analytické metody a nedeštruktivní testy chrání katalyzátory, kompozity i těsnění před degradací či korozi.

Cíle a přehled studie / článku

Článek představuje ucelené řešení Shimadzu pro kontrolu kvality vodíku podle standardu ISO 14687-2019. Popisuje metody analýzy stopových nečistot, hodnocení vodíkových nosičů, testování křehnutí kovů, vyhodnocení katalyzátorů i vlastností kompozitních materiálů u vysokotlakých nádrží.

Použitá metodika a instrumentace

V práci byly využity následující postupy:

• Chromatografie s BID detektorem (GC-BID) a GC-MS pro stopové CO, CH4, CO2, N2, N2O aj.
• FTIR s vysokým rozlišením pro kvantifikaci CO v reálném čase
• Analýza TOC pro organické nečistoty v roztocích amoniaku
• NDT metody: mikrofokusové rentgenové CT, ultrazvuková optická detekce vad
• Mechanické testy: servopulser pro tlačné únavové zkoušky, univerzální zkušečky s DIC pro pevnost a DCB
• EDX pro měření tloušťky a hmoty povlaků
• EPMA a XPS pro mapování a chemický stav katalyzátorů a MEA
• TMA pro koeficient tepelné roztažnosti polymerů
• Transportabilní analyzátor plynů CGT-7100 pro sledování reformingu

Hlavní výsledky a diskuse

• GC-BID detekoval CO s LOD 0,078 ppm a simultánně analyzoval vzdušné složky O2, N2 aj.
• GC-MS s PLOT kolonkou a vyextrahovanými ionty oddělil C1–C2 uhlovodíky i inorganické plyny bez interference vodou.
• FTIR při 0,25 cm⁻¹ zajišťuje vynikající linearitu a separaci špiček CO a H2O.
• TOC-L analyzátor přesně stanovil organické znečištění amoniaku (r=0,9999).
• GC-BID měřil amoniak v roztoku na úrovni jednotek ppm.
• Dual BID systém kvantifikoval H2 i CH4 v roztocích i plynech.
• GC-MS identifikoval 56 organických rozpouštědel včetně toluenu a MCH.
• Rentgenové CT mapovalo korozní prohlubně na měděné trubce po 2 a 5 měsících expozice.
• Únavový Servopulser měřil mikrodotazy těsnících těsnění s přesností jednotek µm.
• EDX-7200 stanovilo hmotu povlaků multilayer pupok <1 % variace, tloušťku filmu s nanometrovou přesností.
• CGT-7100 sledoval CO/CO2 v plynech reformingu při 650–750 °C v reálném čase.
• EPMA mapovala rozložení Pt, Pd, Rh a oxidů v automobilních katalyzátorech i MEA; XPS odhalilo zvýšený podíl PtO2 v degradovaných MEA.
• CT rozpoznalo dutiny, praskliny a úhel orientace vláken v CFRP a CFRTP laminátech.
• Simulace NMT s CT daty snížila chybu modulu pružnosti z 41 % na 7 %.
• Ultrazvuková optická detekce odhalila delaminaci CFRP-ocelového spoje.
• TMA vyhodnotila součinitel tepelné roztažnosti polymerů a separátorových folií až od –150 °C.
• DCB testy s TRViewX zaznamenaly růst delaminace CFRP přes rozsah 1–50 mm.

Přínosy a praktické využití metody

Prezentované nástroje a postupy umožňují robustní kontrolu kvality vodíku a souvisejících materiálů v automobilovém i průmyslovém sektoru, zajišťují shodu s normami, prodlužují životnost palivových článků a optimalizují výrobu vodíku a katalyzátorů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace AI a strojového učení pro predikci degradace a automatizaci analýz
• Online a inline monitoring kvality vodíku v reálném čase
• Rozšíření CT-podporovaných CAE simulací k návrhu lehkých kompozitních nádrží
• Miniaturizace přenosných analyzátorů pro terénní měření
• Vývoj multiplatformních detektorů kombinujících různé fyzikálně-chemické metody

Závěr

Shimadzu poskytuje komplexní řadu vysokocitlivých a spolehlivých analytických přístrojů pro všechny fáze vodíkového řetězce – od výroby a přepravních nosičů po skladování a provoz palivových článků. Kombinace nedeštruktivních testů, chromatografie, spektroskopie a mechanických zkoušek posiluje bezpečnost a konkurenceschopnost vodíkových technologií.

Použitá instrumentace

• Gas Chromatograph Nexis GC-2030 + BID-2030
• Gas Chromatograph Mass Spectrometer GC-MS
• FTIR IRXross
• Total Organic Carbon Analyzer TOC-L
• Microfocus X-ray CT System inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus
• Fatigue and Endurance Testing Machine Servopulser EHF-E
• Energy Dispersive X-Ray Fluorescence Spectrometer EDX-7200
• Transportable Gas Analyzer CGT-7100
• Electron Probe Microanalyzer EPMA-8050G
• X-Ray Photoelectron Spectrometer AXIS Supra+
• Ultrasonic Optical Flaw Detector MIV-X
• Thermomechanical Analyzer TMA-60
• Precision Universal Tester AGX-V2 + TRViewX