Wie funktioniert ein Wasserstoff Generator?

Wie funktioniert ein Wasserstoff Generator?

Erfahren Sie, wie ein wasserstoff generator funktioniert und lesen Sie Antworten auf einige gängige Fragen und falschen Vorstellungen.

Wasserstoff Gasgeneratoren verwenden eine Protonenaustauschmembran (PEM) zur Produktion von Wasserstoffgas aus Wasser. Die PEM-Zelle wurde ursprünglich von der NASA entwickelt und ist in Industrie- und Laboranwendungen weit verbreitet.

Wasserstoffproduktion

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, obwohl er im gasförmigen Zustand nicht natürlich auf der Erde vorkommt und hergestellt werden muss. In der Industrie wird H2(g) in großen Mengen durch einen als Dampfreformierung bezeichneten Prozess hergestellt, mit dem Kohlenstoff- und Wasserstoffatome aus Kohlenwasserstoff-Brennstoffen getrennt werden. Wasserstoff wird im Labor für verschiedene Laboranwendungen wie Gaschromatographie (GC) als Brenn- oder Trägergas und ICP-MS Kollisionsgas eingesetzt, in der chemischen Industrie zur Synthetisierung von Ammoniak, Cyclohexan und Methanol und in der Lebensmittelindustrie für die Hydrierung von Ölen zur Bildung von Fetten.

Wichtige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben sicherere, umweltfreundlichere, effizientere und kostengünstigere Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffgas nach Bedarf für Labor-, Fertigungs- und Industrieanwendungen hervorgebracht. Die Sicherheit hat sich so sehr verbessert, das Wasserstoffgas nun in einigen Transportfahrzeugen als reiner „schadstofffreier“ Brennstoff mit dem aus Wasser erzeugten Gas zum Einsatz kommt, mit Wasser als Nebenprodukt der Verbrennung.

Dieser Artikel liefert einige Antworten zu mehreren OHS und FAQs, die von Gesundheits-, Umwelt-, Industrie-, Prüf-, Medizin- und Forschungslaboratorien auf der ganzen Welt im Zusammenhang mit der sicheren Verwendung von Wasserstoffgeneratoren am Arbeitsplatz zusammengetragen wurden.

Wie funktioniert ein Wasserstoffgenerator?

Wasserelektrolyse ist das beste Verfahren zur bedarfsbasierten Herstellung von hochreinem Wasserstoff. Das wichtigste Element des Generators ist die Elektrolysezelle, wo die Elektrolysereaktion stattfindet. Die Zelle besteht aus zwei Elektroden (einer Anode und einer Kathode), die durch die Ionenaustauschmembran getrennt sind. Um Wasserstoff der höchsten Reinheit zu produzieren, wird ein Platinkatalysator an den Elektroden verwendet.

Wird eine Dauerspannung an die Elektroden an der Elektrolysezelle angelegt, finden die folgenden Reaktionen statt: -

 

Darstellung der Elektrolyse in einer PEM-Zelle

 

An der Anode (der positiv geladenen Elektrode) verlieren die Wassermoleküle zwei Elektronen, die ein Sauerstoffmolekül und vier Wasserstoffionen bilden.

Anode 2H2O - 4e = O2 + 4 H+

Der in dieser Hälfte der Reaktion produzierte Sauerstoff wird von der Rückseite des Generators aus sicher in die Atmosphäre abgelassen. Die vier produzierten Wasserstoffionen passieren dann die Ionenaustauschmembran (angezogen von der negativ geladenen Kathode) und sammeln vier Elektronen ein, wodurch sie zu zwei Wasserstoffmolekülen reduziert werden.

Kathode 4H+ + 4e = 2H2

Der produzierte Wasserstoff wird durch die Ionenaustauschmembran getrennt, die undurchlässig für molekularen Sauerstoff ist.

Warum einen Wasserstoffgenerator benutzen?

Wasserstoffgasgeneratoren sind eine sichere, komfortable und in der Regel kostengünstigere Alternative zur Verwendung von Hochdruckflaschen mit H2. Ein Wasserstoffgenerator stellt Wasserstoff konsistenter Reinheit bereit und eliminiert das Risiko von Schwankungen der Gasqualität, die sich auf die Analyseergebnisse auswirken können.

Ein Generator produziert auch rund um die Uhr Gas nach Bedarf, sodass Sie sich keine Sorgen machen müssen, in einem unpassenden Moment kein Gas mehr zu haben. Ein Wasserstoffgenerator spart Ihnen Zeit, da Sie keine Ersatzflaschen mehr bestellen und auswechseln müssen.

Ein Generator ist eine umweltfreundliche Alternative zu Gasflaschen, da er nach der Installation dauerhaft im Labor verbleiben kann und Gas für Laboranwendungen bereitstellt, wobei alle Wartungsarbeiten im Labor selbst durchgeführt werden. Der Generator verkleinert auch den CO2-Fußabdruck Ihres Labors, da keine LKWs Ersatzflaschen anliefern und leere Flaschen fortbringen müssen.

Wasserstoff-Trägergas

Viele Labors steigen heute auf H2 als Trägergas um, anstatt Helium zu verwenden, das Jahr für Jahr teurer wird. Die Verwendung von H2-Trägergas kann die durchschnittliche Analysezeit verkürzen und den Probendurchsatz vergrößern, da die Viskosität von Wasserstoff nur etwa halb so groß ist wie die von Helium. Viele Labors können von einer Halbierung ihres Analysezeitaufwands ausgehen, wenn sie auf Wasserstoff-Trägergas umstellen.

Die Verwendung von Verbrauchsmaterialien wie Säulen lässt sich auch mit Wasserstoff reduzieren, da die geringere Elutionstemperatur von Produkten bedeutet, dass niedrigere Ofentemperaturen möglich sind, und bei GC-MS kann die Häufigkeit der Ionenquellenreinigung mit Wasserstoff-Trägergas erheblich reduziert werden, weil Wasserstoff die Komponenten der Ionenquelle kontinuierlich reinigt und somit die Ausfallzeiten verkürzt.

Viele Anwendungen können Wasserstoff als Alternative zu Helium-Trägergas nutzen, wie etwa die FAME-Analyse bei Lebensmitteln, die detaillierte Kohlenwasserstoffanalyse (DHA) und SIMDIST bei Öl und Gas und Verfahren wie EPA 8270 in der Umweltanalytik. Einzelheiten zu den wesentlichen Schritten beim Wechsel des Trägergases sind hier skizziert.

Wie kann ich von Gasflaschen zu einem Generator mit begrenzter Ausfallzeit wechseln?

Der Wechsel geht in der Regel nahtlos vonstatten. Wenn Sie von Wasserstoffflaschen auf einen Generator umsteigen, können vorhandene Rohrleitungen von der Gasflasche getrennt und mithilfe von Swagelok-Verschraubungen an den Generator angeschlossen werden. Wenn Sie von Helium auf Wasserstoff umstellen, sind immer neue Rohrleitungen zu verwenden.

Ist ein Wasserstoffgenerator sicher?

Ein Wasserstoffgenerator von Peak speichert weniger als 300 ccm Gas, während in Gasflaschen bis zu 9000 Liter unter extrem hohen Druck stehen (~2000-3000 psi). Die Palette der Wasserstoffgasgeneratoren von Peak produziert Gas nach Bedarf, es wird also nur die vom Gaschromatographen (GC) benötigte Menge mit geregeltem Durchsatz (max. 0,5 l) und Druck (max. 120 psi) produziert.

Wie sicher ist der Generator?

Ein Precision H2-Gasgenerator von Peak verfügt über kontinuierliche interne und externe Leckageprüfungen zusätzlich zu einer automatischen Abschaltfunktion.

• Vollständige Diagnoseprüfungen beim Anlauf
• Kontinuierliche druckbasierte Leckageprüfung während des Betriebs
• Automatische Abschaltung durch Abtrennung der H2-Erzeugungszelle
• Akustische und optische Alarmsignale
• Zwangsbelüftung durch den Generator
• Niedriger H2-Durchsatz im System(< 0,3 l max.)

Sollte ein internes Leck auftreten, stellt der Generator die Gasproduktion ein, informiert das Laborpersonal über den HMI-Touchscreen und gibt sowohl eine Warnmeldung als auch einen akustischen Alarm aus. Wenn eine undichte Stelle außerhalb des Generators vorliegt oder die Kapazität 20 Minuten lang überschritten wird, schaltet sich der Generator ab, um den Aufbau von H2-Gas in der Laborumgebung oder im gelieferten Gerät zu verhindern. Das System schaltet sich auch ab, wenn der Innendruck 120 psi übersteigt.

Wasserstoffgasgeneratoren beseitigen die Sicherheitsrisiken, die sich aus dem Umgang mit Hochdruckflaschen ergeben. Profitieren Sie von einer problemlosen GC-Analyse ohne auszuwechselnde Behälter und Ausfallzeiten.

Unsere Sicherheitsbeauftragten machen sich Gedanken über H2-Gasentwicklung und Explosionen im Labor – ist dies mit einem H2-Gasgenerator möglich?

Wasserstoff ist bei einem Gehalt von 4,1 % bis 78 % in der Luft entzündlich. Nehmen wir an, ein Labor mit den Abmessungen 5 m x 4 m x 2,5 m hat ein Volumen von 50.000 l. Um die untere Explosionsgrenze (LEL) von 4,1 % bei Wasserstoffgas zu erreichen, müssten 2050 Liter H2-Gas in einem einzigen Moment in diesen Laborraum freigesetzt werden.

Eine durchschnittliche H2-Gasflasche der Größe „G“ enthält 9000 Liter Gas. Sollte eine Gasflasche undicht sein, bräuchten nur 25 % ihres Gesamtvolumens auszutreten, um diese Explosionsgrenze im Labor zu erreichen.

Ein Generator des Typs Peak Precision Hydrogen Trace 500cc produziert 0,5 Liter pro Minute. Um den LEL-Wert mit diesem Gasgenerator zu erreichen, müsste er sich in einem vollständig abgedichteten Raum befinden, nicht mit der GC-Anwendung verbunden sein oder eine erhebliche Undichtigkeit bei Komplettausfall aller Sicherheitsfunktionen aufweisen. Bei diesem an sich schon höchst unwahrscheinlichen Szenario müsste der Generator 67 Stunden (also etwa 3 Tage) laufen, um die Explosionsgrenze zu erreichen.

Wurden irgendwelche Testreihen zur Bewertung der Sicherheit von Wasserstoffgeneratoren durchgeführt?

Wasserstoffgeneratoren von Peak tragen die CE- und CSA-Kennzeichnung und wurden extern nach IEC-Standards auf Laboreinsatz und Sicherheitsanforderungen für das Restrisiko einer Explosionsgefahr getestet. Die Bewertung erfolgte im Rahmen eines Worst Case-Szenarios mit Verdünnungstests und einem nicht laufenden Lüfter. Die Prüfung ergab, dass es keine Explosionsgefahr gibt, da der LEL-Wert von 4,1 % Wasserstoff selbst unter den schlechtesten internen und externen Bedingungen für den Generator nicht erreicht wurde.

Wo sollte ich meinen Generator installieren?

Der Generator kann sicher im Labor auf dem Tisch, auf dem Boden oder unter dem GC-Probenwechsler aufgestellt werden. Das stapelbare Design der Peak Precision-Reihe ermöglicht eine Platzierung von Generatoren in der Nähe von Gaschromatographen oder anderen Anwendungen. Der Generator sollte im Betrieb auf einer flachen und ebenen Fläche stehen.

Peak Precision-Gasgenerator im Labor

 

Gasgenerator-Stack der Precision-Reihe maßstabgetreu

 

Kann ich den Generator in einen Schrank stellen?

Um den Generator herum muss für einen ausreichenden Luftstrom gesorgt sein, damit das Lüftungssystem wirksam arbeiten kann. Wird der Generator in einem geschlossenen Raum aufbewahrt, muss eine Klimaanlage oder ein Absaugventilator zur Steuerung der Umgebungsluft vorhanden sein. Diese Vorkehrung ist zu treffen, damit das Luftvolumen im Raum fünfmal pro Stunde ausgetauscht werden kann.

Die Rückseite des Generators wird während des Betriebs handwarm - ein Mindestabstand von 15 cm (6”) von anderen Gehäusen ist daher zu empfehlen.

Die Belüftungsöffnungen dürfen nicht versperrt oder mit irgendeiner anderen Anwendung verbunden werden. Eine sichere Zwangsabfuhr von Abgasen wurde im Generator konstruktiv vorgesehen, um jeglichen internen Gas- oder Druckaufbau zu verhindern.

Kann ich den Generator außerhalb des Labors aufstellen?

Dies ist möglich, solange die empfohlenen Umgebungsbedingungen für den normalen Betrieb gegeben sind. Durch kürzere Rohrleitungen lassen sich Kosten sparen, falls sie nicht schon installiert sind, und die Wahrscheinlichkeit sinkt, dass potenzielle Undichtigkeiten in den Leitungen unbemerkt bleiben, sodass die Installation insgesamt sicherer wird. Wenn möglich, sollte der Generator neben der GC-Anwendung oder in der Nähe davon (< 10 m) platziert werden.

Müssen meine Gaschromatographen entlüftet werden?

Wenn ein Kunde einen Abluftventilator verwenden oder den Generatorauslass über einen Schlauch mit einem Dunstabzug verbinden möchte, so ist dies möglich, aber jeglicher bei der Gaschromatographie austretende Wasserstoff zerstreut sich schnell in der Luft und stellt keinerlei Gefahr für das Laborpersonal oder die Umgebung dar. Wenn ein Schlauch an den Abluftöffnungen des Generators angeschlossen ist, muss dieser häufig kontrolliert werden, da jegliche Knickstellen zu einer Gasansammlung führen und zusätzliche Gesundheits- und Sicherheitsprobleme verursachen können. Die untere Explosionsgrenze (LEL) von Wasserstoff liegt bei 4,1 % und wird nachgewiesenermaßen von einem H2-Gasgenerator von Peak nicht erreicht. Die meisten Laborausrüstungen sind nicht vollständig abgedichtet und bei vorhandener Klimatisierung finden Luftbewegungen statt. Sollten Sie irgendwelche Bedenken haben, kann Ihnen Peak ergänzende Standortbewertungen, Installationsuntersuchungen und Vorführungen anbieten.

Brauche ich Wasserstoffsensoren im Labor oder einen GC-Ofen?

Im Labor reicht die Menge an erzeugtem oder ins Labor abgegebenem Wasserstoff nicht aus, um sich anzusammeln und die untere Explosionsgrenze von Wasserstoff zu erreichen. Das Risiko einer wesentlichen Gasansammlung im GC-Ofen ist ebenfalls extrem gering, da es sowohl eine externe Leckage-Sicherheitsabschaltung des H2-Generators gibt als auch eine GC-Einlass-Sicherheitsabschaltung.

Sollten aufgrund der Anforderungen Ihres Labors, behördlicher Vorschriften oder der Unternehmenspolitik eine Regelung, Sensoren oder eine Überwachung erforderlich sein, kann Peak Sensoren für den Außenraum und den GC-Ofen anbieten, sodass Sie sich nicht mehr die geringsten Gedanken machen müssen.

Das hört sich alles sehr technisch an: Wie schwierig ist die Wartung von H2-Gasgeneratoren?

Die Wartung ist sehr einfach und kostengünstig und erfordert keinen Techniker für die reguläre Wartung. Füllen Sie einfach den Behälter für deionisiertes Wasser wöchentlich wieder auf. Eine vorbeugende Wartung (PM) ist zweimal jährlich erforderlich und erfordert einen Austausch der Entionisiererpatrone.

Peak bietet auch Benutzerschulungen, Skype-Tutorials, PowerPoint-Folien, ausführliche Benutzerhandbücher, telefonischen Support an sieben Tagen in der Woche und rund um die Uhr sowie Außendienstunterstützung an. Hier klicken, um Kontakt zu uns aufzunehmen.

Wie viele Gaschromatographen kann ein einzelner Wasserstoff Generator versorgen?

Als gängige Faustregel gilt, dass 100 Kubikzentimeter zwei FID-Detektoren versorgen. Der erforderliche Generator hängt natürlich von der Durchsatzrate, dem Trägergastyp, der Säule, anderen Detektoren und besonderen Verfahren ab.

Einen Rechner für Ihren Gasbedarf finden Sie hier.

Oder fragen Sie uns nach einer Beratungslösung.

Zur Investitionsrendite - ist es wirklich kostengünstiger?

Unter Berücksichtigung von Gas, Lieferkosten, Flaschenmietgebühr, Ausfallzeiten für das Personal, Verwaltung, OHS-Maßnahmen und Schulung rentiert sich die Investition im Allgemeinen innerhalb von 9 bis 15 Monaten.

Was sind die Vorteile von Wasserstoffgeneratoren gegenüber Gasflaschen?

• Geringerer Druck = sicherer (1-100 psi am Ausgang)
• Konstant sichere Wasserstoffmengen durch kontrollierte Strömung (bis zu 500 ccm am Ausgang)
• Eingebaute Lecksensoren und automatische Abschaltfunktion
• Produktion nach Bedarf = minimale Bevorratung
• Einmal installiert, muss der Generator nicht mehr bewegt werden
• Alle Wartungen erfolgen im Labor
• 24/7-Betrieb – keine Überwachung der Versorgung erforderlich
• Weniger Kosten und Verwaltungsaufwand – keine wiederholten Gasbestellungen
• Kleinerer CO2-Fußabdruck – die umweltfreundlichere Option für Ihr Labor

Ist es schwierig, einen Wasserstoff Generator zu installieren?

Überhaupt nicht. Entfernen Sie einfach die Verpackung, schließen Sie eine externe UV-geschützte Flasche mit deionisiertem Wasser an (auf der gleichen Höhe wie der Generator oder tiefer), schließen Sie die Stromversorgung an (10 A), und warten Sie, bis die Raumtemperatur erreicht ist. Stellen Sie mit vorgereinigten (gasgespülten) 1/8"-Rohrleitungen aus für Kältetechnik geeignetem Kupfer oder Edelstahl eine Verbindung zu Ihrem Gaschromatographen her.

Welche Rohrleitungen benötige ich?

Für die Wasserstoffversorgung sind Rohrleitungen aus Edelstahl oder Kupfer von Analysequalität mit Swagelok-Klemmringverschraubungen zu verwenden. Rohrleitungen, die vorher für den Transport von Helium zum GC verwendet wurden, sind unbedingt auszuwechseln, da sich mit der Zeit Ablagerungen an der Innenseite der Rohre bilden können, die vom Wasserstoff in die Anwendung getragen werden, was zu einem erhöhten Hintergrundsignal über einen längeren Zeitraum führt.

Für alle Anschlüsse sind Swagelok-Klemmringverschraubungen die empfohlene Lösung, um Kupfer oder Edelstahlrohrleitungen zu verbinden. Es dürfen niemals chemische Bindungen (wie Loctite), Schweißungen oder Klebstoffe zum Einsatz kommen, da sonst flüchtige organische Verbindungen (VCOs) in die Gasversorgung gelangen können, was die Ergebnisse beeinträchtigen kann.

Bei Leitungen >3 m kann es erforderlich sein, 1/4"-Rohre einzusetzen, die auf 1/8" reduziert werden, um die einzelnen Gaschromatographen zu versorgen. Dies erhöht das Volumen ganz erheblich und kann die Installation erschweren.

Bei Leitungen >10 m zwischen Generator und GC – halten Sie bitte Rücksprache mit Peak oder Ihren Montagefachleuten.

Welches Wasser kann ich für meinen Wasserstoff Generator verwenden?

Peak empfiehlt deionisiertes Wasser (DI) mit einer Reinheit von > 1 Megaohm Widerstand / < 1 µS Leitfähigkeit oder besser. Ist MilliQTM-Wasser vor Ort verfügbar, ist dieses zu bevorzugen. Peak rät vom Anschluss des Generators an eine konstante deionisierte Wasserversorgung ab.

Für weitere technische Hilfestellung vor Ort, Serviceleistungen oder Ratschläge:
Wenden Sie sich an Ihren lokalen technischen Helpdesk.

Zum Autor: Nicole Pendini ist die Landesverantwortliche für Peak Scientific in Australien und Neuseeland. Nicole ist seit über drei Jahren bei Peak und war vorher bei Agilent Technologies beschäftigt. Sie ist mit den Herausforderungen, vor denen Labors in der Region ANZ stehen, bestens vertraut, insbesondere was die Gasversorgung und die Optimierung der Arbeitsabläufe betrifft.

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