Las pilas de combustible fueron concebidas por primera vez en 1838 por el científico suizo Christian Schönbein; la primera pila de combustible fue desarrollada por el científico galés Sir Willian Grove en 1843. Las primeras aplicaciones prácticas de las pilas de combustible se produjeron en la década de 1960, en el marco del programa espacial estadounidense. Se podía generar energía y agua a partir de dos combustibles ampliamente disponibles: el hidrógeno y el agua. La preocupación por el medio ambiente y la investigación energética han renovado el interés por la generación y el almacenamiento de hidrógeno como tecnologías necesarias para obtener energía limpia y portátil.
La cuantificación de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno de nuevos materiales es una tecnología clave para predecir el rendimiento en una pila de combustible o un dispositivo de almacenamiento de hidrógeno. El ASAP 2020 de Micromeritics es un analizador flexible de adsorción de gases capaz de medir la capacidad de adsorción de hidrógeno de polvos y materiales porosos. El software ASAP 2020 se ha mejorado para responder a las necesidades de los investigadores de pilas de combustible y almacenamiento de hidrógeno. Las siguientes mejoras se introdujeron en la versión 3 del software ASAP 2020:
- Dosificación a presión absoluta para moléculas de sonda no condensantes, como el hidrógeno.
- Nuevos informes de isotermas que incluyen el porcentaje en peso de hidrógeno adsorbido y la isoterma de composición a presión que utilizan con frecuencia los investigadores del almacenamiento de hidrógeno.
- Opciones de espacio libre calculado para reducir el tiempo de análisis, mejorar la precisión y minimizar la exposición a gases interferentes como el helio.
Un análisis de adsorción de hidrógeno satisfactorio requiere una preparación adecuada de la muestra, que es un proceso de dos pasos. En primer lugar, las muestras deben desgasificarse en el puerto de preparación para eliminar la humedad y los gases residuales, comoel CO2, que se adsorbe fuertemente a muchos materiales a temperatura y presión ambiente. En segundo lugar, la muestra debe desgasificarse completamente en el puerto de muestra.
Para este tipo de análisis se recomienda el tubo de muestra estándar ASAP 2020 (vástago de 1/2 pulgada) con una frita de sellado. Se recomienda una camisa isotérmica si el análisis se realiza a temperaturas criogénicas (nitrógeno líquido o argón líquido). Una varilla de relleno es opcional pero no se recomienda si el análisis se realiza a temperaturas criogénicas; la varilla de relleno puede interferir con la precisión de las mediciones de baja presión.
Creación del archivo de muestra
Cree un nuevo archivo de muestra; especifique las condiciones como se indica a continuación.
- Haga clic en la pestaña Condiciones de desgasificación; introduzca las siguientes condiciones:
a. Fase de evacuación: Esta fase proporciona una rampa de temperatura y una evacuación simultáneas. El tiempo de evacuación comienza una vez alcanzado el punto de consigna de vacío.
Tasa de rampa de temperatura: 10 °C/min
Temperatura objetivo: 90 °C (facilita la eliminación de la humedad y minimiza el vapor para evitar la pérdida de superficie)
Velocidad de evacuación: 5 mmHg/s (minimiza la fluidización del lecho de la muestra)
b. Fase de calentamiento: Esta fase proporciona una segunda rampa de temperatura una vez finalizada la fase de evacuación.
Velocidad de rampa: 10 °C/min
Temp. de mantenimiento 300 °C
Tiempo de mantenimiento: 300 min
c. Fases de evacuación y calentamiento: Estas fases tienen un punto de ajuste de presión máxima. Durante cualquiera de las fases, la presión del tubo de muestra debe permanecer por debajo del punto de ajuste de la presión de mantenimiento. Si se supera la presión del punto de ajuste, la rampa de temperatura se detiene hasta que la muestra se evacua a una presión inferior al punto de ajuste. Este punto de ajuste de la presión de mantenimiento se utiliza para minimizar la rápida liberación de humedad o gases extraviados que pueden dañar la estructura de poros finos de la muestra.
Presión de mantenimiento: 10 mmHg
d. Seleccione Backfill sample tube.
Su cuadro de diálogo Degas Conditions debería tener este aspecto:
- Haga clic en Guardar y, a continuación, en la pestaña Condiciones de análisis. Las Condiciones de análisis pueden optimizarse para complementar las condiciones especificadas para la desgasificación. Todos los ajustes de evacuación del protocolo de análisis pueden minimizarse (ponerse a cero). No se requieren evacuaciones adicionales.
a. Seleccione la opción Dosificación de presión absoluta.
b. Introduzca una tabla de presión adecuada; la presión máxima no debe superar los 850 mmHg.
c. Haga clic en Preparación; aparecerá el cuadro de diálogo Preparación del análisis. Seleccione Evacuación rápida e introduzca 0,00 (cero) minutos para el Tiempo de evacuación. La muestra se evacuará utilizando las condiciones especificadas en el cuadro de diálogo Degas Conditions (Paso 3).
d. Haga clic en Free Space; aparecerá el cuadro de diálogo Free Space. Seleccione Enter o Calculate. Consulte la Nota de aplicación 104 de Micromeritics(disponible enmicromeritics para determinar el espacio libre de la muestra.
e. Haga clic en p0 y T; aparecerá el cuadro de diálogo p0 y Temperatura. Debe seleccionarse la opción nº 4; introduzca la temperatura del baño en el campo situado en la parte inferior del cuadro de diálogo.
f. Haga clic en Dosing (Dosificación); aparecerá el cuadro de diálogo Dosing Options (Opciones de dosificación). Seleccione Low pressure incremental dose mode; introduzca 1 cm3/g en el campo Dose amount. Deje los valores predeterminados en los campos restantes.
g. Haga clic en Equilibration (Equilibrado); se mostrará el cuadro de diálogo Equilibration (Equilibrado). Introduzca 45 como Intervalo de Equilibrado.
h. Haga clic en Backfill; aparecerá el cuadro de diálogo Sample Backfill Options. Deseleccione Backfill sample at start of analysis. Aparecerá el mensaje #4020; haga clic en Yes para cerrar el diálogo. - Haga clic en Guardar y, a continuación, en la pestaña Propiedades de adsorción. Las propiedades de adsorción para el hidrógeno se obtienen fácilmente modificando las propiedades de adsorción de cualquier adsorbato.
a. Cambie el mnemónico a H2. Asegúrese de que coincide con los gases conectados al analizador.
b. Seleccione Non-condensing Adsorptive.
c. Introduzca 0 (cero) en el campo Non-ideality factor. Deje los valores por defecto en los campos restantes.
d. Introduzca 2.97 en el campo Therm. tran. Hard-sphere diameter.
e. Ingrese 0.121 como Molecular cross-sectional area.
Su diálogo Adsorptive Properties debe verse así:
- Haga clic en Save, luego haga clic en la pestaña Report Options.
a. Haga doble clic en el reporte Isotherm para seleccionarlo, luego haga clic en Edit; aparecerá el diálogo Isotherm Report Options.
b. Seleccione Tabular report, Linear Absolute plot (datos de ejemplo mostrados en la Figura 1), Logarithmic Absolute plot, y Pressure Composition plot (datos de ejemplo mostrados en la Figura 2).
c. Bajo Tabular Options, seleccione Weight %.
d. Asegúrese que 2.00 es el valor en el campo Adsorbate Molecular Weight.
Deje los valores por defecto en todos los otros campos; su diálogo Isotherm Report Options debe verse así:
Desgasificación de la muestra
La muestra debe desgasificarse primero en un puerto de desgasificación y luego en el puerto de muestra.
- Instale el tubo de muestra en un puerto de desgasificación.
- Seleccione Unidad [n] > Iniciar desgasificación; se mostrarán el cuadro de diálogo Desgasificación automática y el cuadro de diálogo Estado de desgasificación.
- Haga clic en Examinar y seleccione el archivo de muestra que ha creado.
- Haga clic en Iniciar para comenzar la operación de desgasificación; puede observar el estado en el cuadro de diálogo de estado.
- Una vez finalizada esta desgasificación inicial, retire el tubo de muestra del puerto de desgasificación.
- Instale una camisa isotérmica en el tubo de muestra si utiliza un baño criogénico para controlar la temperatura.
- Instale el tubo de muestra en el puerto de muestra; deslice la camisa isotérmica hacia arriba hasta que toque el puerto de muestra.
- Instale el manto calefactor del puerto de desgasificación 2 en el tubo de muestra. El manto calefactor de desgasificación debe estar al menos 1 cm por debajo de la camisa isotérmica. Aplicar calor directo a la camisa isotérmica puede decolorar y dañar permanentemente la camisa isotérmica.
- Seleccione Unidad [n] > Mostrar esquema del instrumento y, a continuación, active el control manual.
- Cierre todas las válvulas.
- Válvulas abiertas: válvula de nitrógeno (normalmente la válvula P1), PS, 4, 5 y 7.
- Deje que el colector se llene hasta 780 mmHg de nitrógeno.
- Cierre las válvulas PS, 4 y 5; la válvula 7 debe permanecer abierta.
- Abra las válvulas 9 y 2.
- Deje que el colector y la muestra se evacuen a menos de 5 mmHg.
- Abre la válvula 1.
- Cierre las válvulas 2 y 7.
- Seleccione Unidad [n] > Degas > Mostrar esquema de Degas, y active el control manual de Degas.
- Haga clic con el botón derecho del ratón en el icono del tubo de muestra del puerto 2 y seleccione Configurar; aparecerá el cuadro de diálogo Configuración del calefactor del puerto 2. Introduzca 10 como Velocidad de rampa y 300 como Temperatura objetivo. A continuación, haga clic en Aceptar para cerrar el cuadro de diálogo.
20. Dejar que la muestra se desgasifique durante toda la noche a 300 °C; se recomienda un mínimo de 12 horas.
Realización del análisis
- Una vez finalizada la desgasificación, retire el manto calefactor y espere a que el tubo se enfríe hasta alcanzar casi la temperatura ambiente. Deslice con cuidado la camisa isotérmica hacia abajo hasta que toque la parte superior del bulbo de la muestra.
- Prepare un Dewar con criógeno (o utilice un baño de recirculación).
- Coloque el Dewar en el soporte de muestras.
- Seleccione Unidad [n] > Análisis de muestra, elija el archivo de muestra que ha creado y comience el análisis.
