現場加氫站 - FCV 氫氣檢查

現場加氫站

FCV 氫氣質量檢查

- 微量氣體監測儀 GA-370 -

介紹

近年來，環境問題成為社會關注的重大議題，氫作為一種新能源越來越受到人們的關注，未來氫的使用有望普及。

在此趨勢下，燃料電池汽車加氫站的成長速度急劇加快。目前，大多數氫燃料源自天然氣，ISO-14687 定義了 FCV 的氫氣品質標準。氫氣品質對於氫燃料電池的性能和壽命至關重要，即使是微量污染也至關重要，可能會降低性能，導致燃料電池催化劑劣化和損壞。

因此，挑戰的重點是如何以較低的成本確保高品質的氫氣。為了以更低的成本大量生產更高純度的氫氣，需要不斷發展生產製程技術，並透過監控整個生產過程並分析製程中使用的催化劑和材料來提高吸附和再生性能。在氫氣生產技術中，蒸氣重整作為大量生產氫氣的最有效方式被廣泛使用。

該技術通常使用城市煤氣並將其重整為高純度氫氣。在重整過程中，雜質隨高純度氫氣一起產生，因此在變壓吸收裝置後持續監測關鍵雜質至關重要，以避免其滲透到最終產品——燃料電池級氫氣中，並確保保護氫燃料電池汽車免於性能劣化。

Table 1: ISO14687 Hydrogen Fuel Quality Standards

流程概覽

下圖1顯示了現場加氫站基本操作的5個關鍵步驟。

步驟1：城市燃氣（主要成分是甲烷的天然氣）透過管道直接供應加氫站。

步驟2：天然氣中的硫化合物在脫硫裝置中脫除。

步驟3：處理後的天然氣進入蒸汽甲烷重整器（SMR），高溫蒸汽將甲烷轉化為氫氣和一氧化碳（CH4+H2O=CO+3H2）。高溫加速甲烷和水之間的反應以捕獲盡可能多的氫氣。

步驟 4：重整產生的一氧化碳和蒸氣將進入 CO 變換轉換器，產生二氧化碳和更多的氫氣（CO+H2O=H2+CO2）。該轉換器充滿水和鐵鉻基催化劑，使蒸氣分解成氧氣和氫氣。氫氣被捕獲，而氧氣則從重整反應附著到一氧化碳上，產生二氧化碳。

步驟 5：氫氣最終在稱為變壓器吸附 (PSA) 的裝置中純化，該裝置在高壓下回收高純度氫氣，同時在低壓下吸收雜質。該裝置使用碳分子篩等固體吸收劑床來從氫氣流中分離雜質。

Figure 1: Basic Operations of On-Site Hydrogen Station

採用變壓吸附法測量 CO 的原因

CO 是氫燃料電池中最嚴重的雜質之一，因為難以去除和催化劑中毒，這會導致燃料電池的電壓下降。儘管在ISO-14687氫氣品質標準（見表2：ISO14687-3：2019）中需要監測許多非常低濃度的雜質，但監測每種雜質成分非常具有挑戰性且成本高昂。

作為解決方案，ISO標準中規定了一種稱為「金絲雀雜質管理方法」的雜質管理方法（請參閱表3：金絲雀雜質管理方法）。以氫精製工序中去除最少且容易混入產品中的成分為指標的方法。氫氣中的雜質CO被確定為金絲雀成分，並透過連續紅外線分析儀持續監測CO濃度作為指標來維持氫氣的品質。 CO 是去除最少的組分的原因是因為它被認為是 PSA 中的突破組分。當變壓吸附（PSA）中的吸收劑因劣化而達到飽和時，CO 首先從中釋放出來。

HORIBA 的微量氣體監測器 (GA-370) 用於監測突破性成分 CO，以確保以合理的成本獲得燃料電池級的氫氣品質。應在變壓吸附出口檢查一氧化碳。

Table 2: ISO14687-3: 2019

Table 3: Canary Impurity Management Method

Reference：JXTG Technical Review Vol.60 No.01 (March 2018)
Development of a new quality control method for ENEOS Hydrogen

HORIBA 分析儀配置

HORIBA 的微量氣體監測儀 GA-370（如圖 2 所示）提供強大的分析解決方案，可在變壓器吸附 (PSA) 後連續監測低於十億分之一 (ppb) 水平的 CO。

它採用交叉調製雙光束非色散紅外線原理，可實現零漂移測量和對微量污染物分子進行可靠的超靈敏檢測，以確保燃料電池級氫氣品質。

憑藉數十年的測量解決方案經驗，HORIBA 設計的這款分析儀消除了常規校準週期，並提供長期穩定的測量和連續的無人操作。分析儀中的每個元件都經過精心挑選，以實現最終的可靠性、準確性和超高靈敏度，以滿足最苛刻的行業和應用的需求。

成本效益高、極其穩定且超靈敏——明智的氫氣品質控制和品質保證管理的最佳解決方案。

Table 4: Specification

GA-370 Introduction Video

HORIBA 微量氣體監測儀 GA-370 簡介

Figure 2: Trace Gas Monitor GA-370

測量原理

交叉調變雙光束非色散紅外線分析儀

已知由不同原子組成的分子會吸收特定波長範圍內的紅外光。

非色散紅外線分析儀（後來的NDIR）利用分子的上述物理性質，測量樣氣中CO、CO2和/或CH4在特定波長下的紅外光吸收，並提供濃度值的連續測量。

傳統的 NDIR 技術使用兩個測量單元和旋轉扇區（光學斬波器）來獲取調製訊號。採用交叉調變技術的 HORIBA 原創 NDIR 使用一個測量單元。設計中最重要的新元素是電磁閥，它以恆定週期（例如1Hz）切換，並將樣氣和參考氣體（零氣）交替引入測量單元。透過這種方法，消除了樣品光路和參考光路之間的區別，並且同一光路交替充當樣品光路和參考光路。從而消除了對光斬波器來調製檢測器輸出的要求。當樣品池充滿樣品氣體時與樣品池充滿參考氣體時相比，樣品氣體中存在 CO、CO2 和/或 CH4 會產生到達偵測器的光強度差異。

這種差異導致檢測器中的金屬膜來回移動，這與濃度值相對應。這種測量技術消除了對光學斬波器或光學調整的任何需要，實現了零漂移測量、增強了靈敏度並提供了長期穩定性。

交叉調製雙光束 NDIR 與上述交叉調製技術相同，但不是使用一個測量單元，而是將樣氣和參考氣體交替引入兩個測量單元（見圖 3）。透過從兩個細胞獲取訊號，我們成功地獲得了雙倍的信號量，這有助於測量的高靈敏度。

此外，由於去除了在傳統 NDIR 中容易產生顯著雜訊的光學斬波器，因此訊號雜訊比明顯提高。

該技術採用雙檢測器系統，最大限度地減少樣氣中共存的其他非測量組件的干擾。補償偵測器位於主偵測器後方。主偵測器擷取測量成分+幹擾成分的訊號，補償偵測器擷取幹擾成分的訊號。這些訊號經過減法器放大計算，僅提取目標測量成分的輸出。這種雙探測器設計可實現高精度測量和 ppb 級精度。