Waterstofsensoren spelen een cruciale rol in het veilig beheren van waterstof in opslag- en transportprocessen. Ze worden gebruikt om de concentratie van waterstof in omgevingen te meten en te bewaken, wat essentieel is voor de veiligheid van systemen die waterstof bevatten. Er zijn verschillende typen waterstofsensoren, elk met unieke werkingsprincipes en eigenschappen. De drie meest gangbare types zijn elektrochemische sensoren, resistieve sensoren en optische sensoren. Elk van deze types heeft specifieke toepassingen, voor- en nadelen die van invloed kunnen zijn op de keuze voor een bepaald type in een specifieke omgeving.

De elektrochemische waterstofsensor is opgebouwd uit drie hoofdonderdelen: de elektrode, de elektrochemische cel en de gasdoorlatende laag. De elektrode is het actieve deel van de sensor, waar de overdracht van elektronen plaatsvindt. De elektrochemische cel bevat een vast of vloeibaar elektrolyt, dat ionen tussen de elektroden kan overdragen. De gasdoorlatende laag bevindt zich aan de ingang van de sensorelektrode en regelt de diffusie van waterstof en zuurstof, wat de snelheidsbepalende stap is in de reactie. De werking van elektrochemische waterstofsensoren kan verder worden onderverdeeld in twee types: de stroomtype en de spanningssensor. Het belangrijkste verschil tussen deze twee ligt in de manier waarop ze de waterstofconcentratie meten: de stroomtype sensor meet de stroom die wordt gegenereerd door de overdracht van elektronen, terwijl de spanningssensor het potentiële verschil tussen twee elektroden meet zonder stroom. De spanningssensoren hebben de neiging een logaritmische relatie te vertonen tussen de waterstofconcentratie en de gemeten spanning, terwijl stroomtype sensoren lineair reageren op veranderingen in de concentratie van waterstof. Elektrochemische sensoren hebben de voordelen van laag stroomverbruik, werking bij kamertemperatuur, en goede herhaalbaarheid. Echter, ze hebben ook nadelen, zoals een beperkte levensduur van ongeveer twee jaar en beperkte gevoeligheid bij hogere concentraties van waterstof.

Resistieve sensoren zijn gebaseerd op het principe van weerstandverandering door de interactie van waterstof met het sensormateriaal. Wanneer waterstof het sensoroppervlak bereikt, wordt het geadsorbeerd en verandert de weerstand van het materiaal. Dit type sensor is meestal onderverdeeld in halfgeleider-metalenoxide sensoren en niet-halfgeleider sensoren. De halfgeleider-metalenoxide sensoren gebruiken een dunne laag van een metaaloxide, zoals tinoxide of zinkoxide, die reageert met waterstof. De verandering in weerstand als gevolg van de reactie met waterstof maakt het mogelijk om de concentratie te meten. Deze sensoren hebben een gemiddelde reactietijd tussen 4 en 20 seconden en kunnen waterstofconcentraties meten van 10−5 tot 2 × 10−2. Ze zijn echter gevoelig voor interferentie van andere gassen, zoals koolstofmonoxide en methaan. Om de selectiviteit te verbeteren, worden vaak edelmetalen zoals palladium of platinum gedoteerd op de sensor. Niet-halfgeleider sensoren maken gebruik van metaallegeringen, met name palladium, die een omkeerbare reactie aangaan met waterstof en daardoor een meetbare weerstand verandering vertonen.

Optische sensoren bieden een ander mechanisme voor waterstofdetectie door middel van veranderingen in optische eigenschappen. Er zijn drie hoofdcategorieën van optische sensoren: vezeloptische sensoren, oppervlaktetrillingssensores en fotoakoestische sensoren. Vezeloptische sensoren gebruiken een combinatie van vezeloptica en waterstofgevoelige materialen, zoals een dunne film van palladium of tungstenoxide. Wanneer deze materialen reageren met waterstof, verandert de transmissie of reflectie van licht door de vezel, wat vervolgens kan worden gemeten om de waterstofconcentratie te bepalen. Vezeloptische sensoren bieden voordelen zoals intrinsieke veiligheid, corrosiebestendigheid, en het vermogen om op afstand te werken, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen waar explosieve gassen aanwezig kunnen zijn. Bovendien elimineren deze sensoren de noodzaak voor verwarming, wat het risico op explosies aanzienlijk vermindert.

Er blijven echter verschillende uitdagingen voor het gebruik van waterstofsensoren. Allereerst moet de respons- en hersteltijd van de sensoren verder worden versneld, idealiter naar minder dan één seconde, om snel waterstoflekken te detecteren. De gevoeligheid voor lage concentraties waterstof moet ook verder worden verbeterd om lekken in een vroeg stadium te detecteren. Daarnaast is er behoefte aan een betere selectiviteit in omgevingen waar meerdere gassen aanwezig zijn, zodat interferentie van andere stoffen, zoals koolmonoxide of methaan, kan worden geminimaliseerd. Tenslotte moet de betrouwbaarheid van de sensoren worden verbeterd, zodat ze stabiel kunnen functioneren onder verschillende omgevingsomstandigheden, zoals variaties in temperatuur en luchtvochtigheid, zonder significante afwijkingen in de metingen gedurende langere tijd.

Naast de technologische vooruitgangen die nodig zijn om de prestaties van waterstofsensoren te verbeteren, moet men zich ook bewust zijn van de context waarin deze sensoren worden toegepast. De keuze van het type sensor hangt af van verschillende factoren, waaronder de omgevingstemperatuur, de verwachte concentraties van waterstof, de aanwezigheid van andere gassen, en de eisen voor veiligheid en betrouwbaarheid. Zo kunnen optische sensoren bijzonder nuttig zijn in omgevingen waar explosiegevaar bestaat, maar ze kunnen niet altijd de gevoeligheid bieden die vereist is voor het detecteren van zeer lage concentraties van waterstof. Anderzijds kunnen elektrochemische sensoren beter presteren bij het meten van lage concentraties, maar hun gevoeligheid kan worden beïnvloed door fluctuaties in omgevingsdruk of andere interferenties.

Hoe waterstofbroosheid de sterkte van metalen beïnvloedt: Mechanismen en preventieve maatregelen

In nucleaire krachtcentrales, waar onderdelen van metalen gemaakt zijn die geen aluminium bevatten, wordt de pH van het reactor koelmiddel neutraal of alkalisch gehouden om waterstofbroosheid te voorkomen. Waterstof kan bij kamertemperatuur in het metaalrooster worden geabsorbeerd, door de korrels diffunderen en zich ophopen in insluitsels of roosterdefecten. Onder dergelijke omstandigheden zullen de resulterende scheuren transgranulair zijn. Bij hogere temperaturen daarentegen hoopt de gediffundeerde waterstof zich op bij de korrelgrenzen, wat leidt tot intergranulaire scheuren. Wanneer de productie van waterstofgas stopt door veranderingen in de omgevingsomstandigheden en de scheur nog niet is begonnen, diffundeert het gevangen waterstofgas weer, waardoor de taaiheid van het materiaal wordt hersteld. Dit betekent dat waterstofbroosheid geen permanent fenomeen is.

Het probleem van waterstofbroosheid kan op verschillende manieren worden opgelost, zoals door de hoeveelheid residu waterstof te controleren, het verminderen van de hoeveelheid waterstof die zich tijdens het productieproces ophoopt, het zoeken naar legeringen die bestand zijn tegen waterstofbroosheid, het ontwikkelen van coatings die waterstofbroosheid verminderen, en het verlagen van de hoeveelheid waterstof die aanwezig is in de serviceomgeving van het materiaal.

Koolstofstaal wordt door waterstofbroosheid beïnvloed doordat structurele componenten breuken vertonen bij lagere belastingen dan de vloeigrens van het metaal. Het mechanisme van absorptie van atomaire waterstof in koolstofstaal bij kamertemperatuur kan zowel atomaire als moleculaire vormen van waterstof omvatten. Na absorptie diffundeert de waterstof door het metalen blok en wordt gevangen in de korrelgrenzen, waar het belletjes vormt. Deze belletjes oefenen interne druk uit op de metaalkorrels, die na verloop van tijd toeneemt en de taaiheid en sterkte vermindert. Dit effect treedt op wanneer metalen worden blootgesteld aan zuur of corrosie, zoals tijdens het beitsen om staaloppervlakken te reinigen van oxiden, of elektroplatingprocessen.

In het geval van aluminium en aluminiumlegeringen heeft droge waterstofgas weinig effect op het metaal. Het belangrijkste probleem is de interactie van waterstofgas met vochtigheid en de luchtgaten die ontstaan tijdens het smelt-, giet- en stollingsproces van het metaal. Deze luchtgaten zijn materiaalfouten die de mechanische eigenschappen van gegoten en gesmeed aluminium beïnvloeden, zoals taaiheid en breukvastheid. Tijdens het afkoelen uit de smelt diffundeert waterstof in neerslag en gietdefecten, wat scheuren veroorzaakt door de verminderde oplosbaarheid van waterstof in vast metaal bij lagere temperaturen. In droge waterstofgasomstandigheden bij kamertemperatuur kan aluminiumlegering drukken tot 69 MPa weerstaan zonder dat significante effecten van waterstofbroosheid optreden. Echter, wanneer hoogsterkte aluminiumlegeringen elektrochemisch worden geladen met waterstof, neemt hun taaiheid af. De voornaamste oorzaak van de verzwakking van aluminiumlegeringen in waterige media kan sulfide-stressscheuren zijn, eerder dan de effecten van pure waterstofbroosheid.

Koper en koperlegeringen zijn over het algemeen niet gevoelig voor waterstofbroosheid, tenzij ze zuurstof of koperoxide bevatten. Bij het gloeien in een waterstofatmosfeer diffundeert atomaire waterstof en reageert het met koperoxide of zuurstof om water te vormen, dat bij temperaturen boven de 375 °C verandert in hogedrukstoom. Deze stoom bevordert waterstofbeschadiging in de vorm van scheuren en belletjes, wat de breukvastheid en taaiheid van koper vermindert, zelfs zonder de toepassing van externe druk.

Nikkel en nikkelgebaseerde legeringen hebben een goede hoge-temperatuursterkte, oxidatieweerstand en weerstand tegen hittecorrosie. Niet alle nikkel-gebaseerde legeringen vertonen echter goede oxidatieweerstand, en een chemisch corrosieve omgeving betekent niet noodzakelijkerwijs dat ze immuun zijn voor waterstofbroosheid. Zuiver nikkel wordt ernstig broos door waterstof. Veel nikkelrijke legeringen, zoals nikkel-koper, nikkel-ijzer, nikkel-kobalt en nikkel-tungstallegeringen, worden ook zeer bros door waterstof in het nikkelrijke gebied. Bij nikkelrijke legeringssystemen wordt hetzelfde effect waargenomen, waarbij bijvoorbeeld het nikkelrijke legeringstype k-Monel 1 bekend staat om zijn broosheid door waterstof onder hoge druk, maar niet door elektrolytische belasting.

Titanium en titaniumlegeringen staan bekend om hun uitstekende corrosieweerstand in waterige omgevingen, die het gevolg is van de dunne en stabiele titaniumoxidefilm die zich op natuurlijke wijze vormt onder oxiderende omstandigheden in lucht en water. Bij extreme kathodische belading met een aangelegde stroom kunnen sommige van deze titaniumlegeringen echter waterstofbroosheid vertonen in waterige media. Bij lage tot gemiddelde kathodische beladingseisen kan de van nature gevormde titaniumoxidefilm op titanium effectief de waterstofabsorptie verhinderen. Echter, bij hogere kathodische beladingseisen zal deze beschermende film breken en zijn beschermende werking verliezen, waardoor waterstofatomen in het titaniumrooster kunnen doordringen. In omgevingen waar het elektrolyt (zoals zeewater) neutraal is en in contact komt met metalen (zoals zink, aluminium en magnesium), en de temperatuur boven de 80 °C ligt, versnelt de waterstofabsorptie en hydridevorming. Bij hoge druk in een droge waterstofgasomgeving kunnen titanium en titaniumlegeringen gemakkelijk waterstof absorberen, vooral bij toenemende temperatuur en druk. Een gematigde hoeveelheid titaniumhydrideprecipitatie schaadt de meeste toepassingen echter niet, vooral niet binnen een waterstofconcentratie van 4 × 10^−5 tot 8 × 10^−5. Wanneer de temperatuur echter boven de 250 °C stijgt, vormt zich snel een overschot aan titaniumhydride.

Waterstofbroosheid kan worden voorkomen door verschillende technieken, zoals het vervangen van metalen met een lagere sterkte om het risico van waterstofbroosheid te verminderen. Speciale omstandigheden moeten in acht worden genomen om ervoor te zorgen dat het materiaal bestand is tegen de belasting die het tijdens het proces zal ondergaan. Indien hoogsterkte staal of legeringen de beste materiaalkeuze zijn, kunnen bepaalde warmtebehandelingen worden uitgevoerd om de hardheid en restspanningen die tot broosheid kunnen leiden te verlagen. Ook is het belangrijk te letten op de manier waarop materialen worden vervaardigd en behandeld om de mate van waterstofopname te minimaliseren.

Wat is de huidige status van methanol-gebaseerde waterstofproductie en de rol in de energietransitie?

De gedeeltelijke oxidatie van methanol (POX) verwijst naar een technologie voor de reforming van methanol, waarbij zuurstof gedeeltelijk of volledig water vervangt als oxiderend middel. Deze zuurstofverhouding kan de reactie-thermodynamica van de methanol-waterstofproductie aanzienlijk veranderen. Wanneer de concentratie van moleculaire zuurstof in de reactieve atmosfeer de 12,5% van de waterconcentratie overschrijdt, wordt de methanol-waterstofproductiereactie exotherm. Het voordeel van gedeeltelijke oxidatie voor waterstofproductie is dat de reactie exotherm is, de reactiesnelheid hoog is, het bijproduct CO2 is en er geen extra verwarmingsapparatuur nodig is. Vanuit de stoichiometrie van de chemische reactie kan elke molecuul methanol 2–3 moleculen waterstof produceren in een autothermisch reformingsproces.

Wanneer zuivere zuurstof als oxiderend middel wordt gebruikt, kan de waterstofconcentratie in het product oplopen tot 66%, hoewel een luchtscheidingseenheid noodzakelijk is. Bij gebruik van lucht als oxiderend middel bereikt de waterstofconcentratie slechts 41%, waarbij de hoge stikstofinhoud de scheiding in latere fasen bemoeilijkt. Een probleem bij de huidige katalysatorsystemen is dat deze niet voldoende zijn ontwikkeld en de intense exotherme reacties moeilijk te controleren zijn. Autothermische reforming (ATR) van methanol combineert gedeeltelijke oxidatie en stoomreforming van methanol. Deze methode heeft een hogere reactiesnelheid en waterstofopbrengst, maar de technologie voor katalysators en procescontrole is nog niet volledig ontwikkeld.

Door het Cu-CuO chemische lussysteem in te voeren, kan methanol zelfverwarmende reforming van waterstof plaatsvinden, waarbij de benodigde zuurstof uit het CuO-oxiderend middel wordt geleverd. Dit elimineert de behoefte aan extra zuurstof of luchtscheiding. Het toevoegen van een koolstofdrager kan bovendien helpen bij de opname van CO2 tijdens de reactie, wat de waterstofconcentratie verhoogt. Toch is deze technologie nog in ontwikkeling, met uitdagingen in het ontwerp van reactorsystemen en de ontwikkeling van efficiënte cyclische zuurstofdragers.

Vergeleken met traditionele methanolkraken-technologieën voor waterstofproductie, richten de nieuwe technologieën zich op het bereiken van reacties bij normale temperatuur en druk, het verbeteren van de conversie, het verlagen van het energieverbruik en het minimaliseren van het gebruik van katalysatoren. Een voorbeeld is de elektrolytische methanol-waterstofproductietechnologie, die waterstof produceert bij kamertemperatuur en -druk. In vergelijking met water-elektrolyse kan de energiebehoefte van deze technologie afnemen van 5,5 kWh/m³ H2 naar slechts 1,2 kWh/m³ H2. Het energieverbruik wordt beïnvloed door de werktemperatuur en de eigenschappen van het anodemateriaal, wat een veelbelovend onderzoeksgebied is om de kosten van waterstofproductie te verlagen.

Ultrageluidmethanol-kraken gebruikt ultrasone straling om de methanolkrakreactie te initiëren zonder andere externe omstandigheden. Dit proces produceert waterstof bij kamertemperatuur, wat het energieverbruik verder verlaagt in vergelijking met traditionele methanol-kraken. Echter, de chemische reacties onder ultrasone straling zijn complex en de specifieke reactie-mechanismen zijn nog niet volledig begrepen. Plasma-methanol-kraken maakt gebruik van actieve deeltjes, zoals elektronen en opgewonden stoffen, om de reactie te versnellen zonder heterogene katalysatoren te gebruiken. Dit proces heeft aangetoond dat methanol veel reactiever is dan watermoleculen in de kathodale plasmalagen, waarbij het waterstofgehalte in de producten kan oplopen tot 95%. Echter, de energiebehoefte van dit plasma-conversieproces blijft hoog. Sliding arc plasma en glow discharge plasma kunnen het energieverbruik beperken tot 3 kWh/m³ H2, wat enige marktperspectieven biedt.

Fotochemische methanol-waterstoftechnologie maakt gebruik van geschikte fotochemische katalysatoren en specifieke lichtbronnen om de productie van waterstof uit een methanol-water-systeem te katalyseren. Dit proces gebeurt bij kamertemperatuur en bevindt zich nog in de vroege onderzoeksfase.

Samenvattend, van de verschillende methanol-naar-waterstofproductiemethoden is de methanol-water reforming-waterstofproductie relatief volwassen wat betreft katalysatorsynthese en procesontwikkeling vanwege de hoge waterstofproductie en de relatief eenvoudige controle. Vanuit een engineeringsperspectief kan de energie die nodig is voor het opstarten van methanol-reforming worden opgelost door kleine energieopslagbatterijen te koppelen.

De methanol-economie kan, in de context van de hoge kosten van waterstofproductie, -opslag, -transport en -tankinfrastructuur, bijdragen aan kostenverlaging en efficiëntieverbetering in de waterstofindustrie en zo de "flessenhalzen" in deze sector verhelpen. Het gebruik van hernieuwbare energie om groene waterstof te produceren en deze vervolgens te combineren met CO2 om groene methanol te genereren, biedt een belangrijke route naar zero-carbon emissies. Groene methanol kan fungeren als een schakel in de energietransformatie, waarmee de CO2-voetafdruk wordt verminderd en tegelijkertijd het waterstofenergie-systeem wordt uitgebreid.

In 2019 publiceerde het Ministerie van Industrie en Informatie Technologie van China richtlijnen voor de ontwikkeling van methanolvoertuigen in sommige delen van het land. Dit stelde bedrijven in staat om onderzoek te doen naar methanolbrandstofcellen en de transformatie van wetenschappelijke resultaten in industriële toepassingen te versnellen. Het methanol-naar-waterstofbrandstofcel-systeem, ontwikkeld door Shanghai Palcan New Energy Technology Co., maakt gebruik van methanol en water als brandstof en protonuitwisselingsmembranen bij middelhoge temperaturen om de zuiverheidseisen van waterstof te verlagen. De methanolreforming gebeurt direct, zonder de noodzaak voor opslag of transport van waterstof, en biedt voordelen zoals lage geluidsproductie, hoge efficiëntie en sterke capaciteit voor continue werking.

Wat betekent vrijheid in de context van politiek en wil?
Wat is de impact van corrosie op pijpleidingen in de olie- en gasindustrie en hoe wordt dit beheerst?
Wat is de toekomst van nucleaire energie in het mondiale energieperspectief?
Hoe Speelden Juristen in de Middeleeuwen en Vroegmoderne Tijd met Recht en Literatuur?
Hoe kan de Trump-merknaam zichzelf beschermen tegen schadelijke invloeden?