Anspruchsvolle Feuchtemesslösungen für bessere Brennstoffzellentestsysteme

Als führender Entwickler hochwertiger Instrumente und Software für die elektrochemische Forschung und Entwicklung liefert Scribner, LLC Lösungen, die weltweit als Goldstandard für Instrumentensteuerung und Datenanalyse angesehen sind. Scribner ist auf die Herstellung von Testgeräten im Bereich der elektrochemischen Energieumwandlung und -speicherung spezialisiert und benötigt Brennstoffzellentestsysteme, die eine sehr stabile und reproduzierbare Menge an Wasserdampf oder Feuchte in einem Gasstrom erzeugen. 

Herausforderung: Kalibrierung von Brennstoffzellentestsystemen in Umgebungen mit hohem Taupunkt

Wasserdampf spielt bei verschiedenen elektrochemischen Prozessen und Reaktionen eine wichtige Rolle. Brennstoffzellen beispielsweise wandeln die chemische Energie von Reaktanten – üblicherweise Wasserstoff und Sauerstoff – in elektrische Energie um. Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, also Anode und Kathode. Diese sind durch einen Ionomerfilm bzw. eine Ionomermembran – elektrisch isolierend, aber ionisch leitend – getrennt. Der am häufigsten in Niedertemperatur-Brennstoffzellen verwendete Separator ist die Polymerelektrolytmembran (PEM), auch als Protonenaustauschmembran bezeichnet. Wasserstoffgas wird der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und oxidiert, um Protonen und Elektronen zu bilden. Die Elektronen werden durch einen externen Schaltkreis geleitet, während die Protonen durch den PEM-Separator zur Kathode wandern. An der Kathode reagiert Sauerstoff mit den Elektronen und Protonen zu Wasser. Die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie kann beispielsweise einen Elektromotor antreiben.

Die Protonenwanderung durch die Ionomermembran ist stark von der Anwesenheit von Wasser abhängig. PEMs sind in trockenem Zustand sehr schlechte Leiter, weisen einen hohen Widerstand auf und tragen so zu geringer Brennstoffzellenleistung bei. In Anwesenheit von Wasser ist die Membran dagegen ein sehr guter Protonenleiter mit geringem Widerstand. Resultat ist eine höhere Leistung der Brennstoffzelle. Bei Brennstoffzellentests ist die Feuchte ein wichtiger Testparameter. Deshalb ist die präzise Regelung des Wasserdampfgehalts im als Brennstoff genutzten Wasserstoff und in der sauerstoffhaltigen Luft sehr wichtig. 

Unternehmen, die hochwertige Instrumente für Forschung und Entwicklung im Segment der Brennstoffzellen und Membranen in Umgebungen mit hohem Taupunkt entwickeln, sehen sich bei der Kalibrierung und Messung besonderen Herausforderungen gegenüber. Die Aufrechterhaltung genauer und stabiler Feuchtewerte ist unverzichtbar, weil Schwankungen die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Daten von Brennstoffzellentests beeinträchtigen. Eine Differenz des Taupunkts von nur einem Grad kann zu einer Abweichung des Werts der relativen Feuchte um 5 % führen. Kalibrierverfahren müssen die spezifischen Herausforderungen in Umgebungen mit hoher Feuchte berücksichtigen und mit geeigneten Techniken für zuverlässige und konsistente Ergebnisse sorgen.

Höhere Wasserdampfkonzentrationen in elektrochemischen Systemen können zu übermäßiger Kondensation, Wasseransammlungen und Beschädigungen von Systemkomponenten führen. Das zieht Messabweichungen und eine verkürzte Sensorlebensdauer nach sich.

Als Reaktion auf die anspruchsvollen Kalibrieranforderungen in Umgebungen mit hohem Taupunkt entschied sich Scribner für Vaisala, um eine effektive, hochmoderne Feuchte- und Temperaturüberwachung zu implementieren. 

Die Lösung: Feuchte- und Temperaturüberwachung mit modernster Technik

Die Brennstoffzellen- und Membrantestsysteme von Scribner müssen einen stabilen, reproduzierbaren Taupunkt erzeugen, damit die Befeuchtung bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken präzise gesteuert werden kann. Auf Empfehlung eines guten Kunden hat Scribner seit 2006 die Feuchte- und Temperatursensoren Vaisala HMT337 eingesetzt, ist aber mittlerweile auf die Sonde HMP7 umgestiegen, die aktuelle Generation dieser Vaisala Lösung. 

„Wir waren zuversichtlich, dass die Vaisala Lösung auch für uns funktionieren würde, wenn sie schon beim Kunden gut funktionierte“, sagte Dr. Kevin Cooper, leitender Wissenschaftler bei Scribner. „Wir haben eine maßgeschneiderte Taupunktkammer mit der Vaisala Sonde und einer Swagelok-Rohrverschraubung entwickelt, die temperaturgeregelt ist und über Anschlüsse für Gaseinleitung und -ausleitung verfügt. Die Kammer wird auf 10 Grad Celsius über den maximal im Kalibrierverfahren erwarteten Taupunkt erwärmt.“

Scribner verwendet intern Vaisala Instrumente, um die in Brennstoffzellen- und Membrantestsystemen verwendeten Befeuchter zu kalibrieren. Die Luftbefeuchter sind für die Zufuhr von Gas mit einem Taupunkt von bis zu 120 Grad Celsius ausgelegt und auf einen Taupunkt von 80 Grad Celsius kalibriert.

Die OEM-Version des HMT337, der HMT317, wird im Membrantestsystem (MTS) 740 des Unternehmens zur Überwachung des Taupunkts in Echtzeit und in situ eingesetzt. In Verbindung mit der gemessenen Prozesstemperatur liefert der gemessene Taupunkt in Echtzeit die relative Feuchte (rF), einen kritischen Prozessparameter für die Kunden von Scribner.

Dank der hochmodernen Integration von Feuchte- und Temperaturüberwachung kann Scribner Brennstoffzellentestsysteme präzise und genau kalibrieren – auch in anspruchsvollen Umgebungen mit hoher Feuchte.

Der Nutzen: präzise, ​​wiederholbare und schnelle Messkalibrierung, wenn höchste Messleistung im Mittelpunkt steht 

Für Scribner ist die Integration zuverlässiger Feuchtesensoren und Überwachungssysteme unverzichtbar. Da eine regelmäßige Kalibrierung und Validierung der Regelsysteme für die Feuchte unerlässlich ist, um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sicherzustellen, rotiert Scribner vier Vaisala Instrumente paarweise: Das aktuell kalibrierte Paar kommt sechs Monate zum Einsatz, bevor es zur Kalibrierung an Vaisala geschickt wird.

„Als hochwertiges und zuverlässiges Produkt erfüllt der Vaisala HMT337 unsere Spezifikationen in Bezug auf Betriebstemperatur- und Taupunktbereich, Genauigkeit usw. Das Leistungspotenzial des Instruments und die Fähigkeit, auch hohe Taupunkte zu messen, sind für uns unverzichtbar. Und der Formfaktor ist für unsere Anforderungen geeignet“, fuhr Cooper fort. „Wir mögen das Vaisala Instrument und können nur Gutes darüber berichten.“ 

Die Durchführung von Tests mit geregelter Feuchte bei überwachtem Wasserdampfgehalt und die Analyse der Konsistenz und Wiederholbarkeit der Ergebnisse ermöglicht Scribner die Optimierung des Designs und des Betriebs der Befeuchtungssysteme. Scribner hat mehr als 700 integrierte Brennstoffzellentestsysteme verkauft, die Befeuchtungssysteme enthalten und deshalb eine Taupunktkalibrierung erforderlich machen. Jede Befeuchtereinheit wurde mit einem Vaisala Instrument kalibriert. Tatsächlich wäre die Scribner-Lösung MTS 740 ohne Taupunktüberwachung in Echtzeit und in situ nicht realisierbar. Der Vaisala HMT337 ist für Funktion und Leistung dieses Instruments unverzichtbar.

HMT337, HMT317, HMM170 und die HMP7 der neuesten Generation basieren auf der einzigartigen Vaisala Messtechnologie beheizter Sonden, die den vielfältigen Herausforderungen bei der Messung großer Feuchte gerecht wird. Die beheizte Sonde basiert auf einem Kompositfeuchtesensor mit verklebtem Temperatursensor. Mit einem Kompositsensor kann Scribner den Taupunkt überwachen und zusammen mit der Testtemperatur die relative Feuchte der Anoden- und Kathodenzuleitungen berechnen.  

Die beheizte Sonde verfügt über eine separate Widerstandsheizung, die in der Sonde installiert ist und auf Basis der intern gemessene relativen Feuchte geregelt wird. Der Regelalgorithmus hält eine Sondentemperatur aufrecht, die einige Grad über der Umgebungstemperatur liegt, damit auch dann kein Wasser auf dem Kompositsensor kondensiert, wenn die Messumgebung Taupunkttemperatur hat.

Durch den Einsatz hochwertiger Feuchteüberwachungssysteme wie der Vaisala Sonde HMP7 für relative Feuchte und Temperatur mit ausreichender Empfindlichkeit, Genauigkeit und Ansprechzeit können die Kunden von Scribner darauf vertrauen, Leistung, Effizienz, Stabilität und Haltbarkeit von Brennstoffzellen unter verschiedenen Betriebsbedingungen sicher beurteilen zu können. 

Präzisionsmessungen für Nachhaltigkeit und Innovation in der Wasserstoffwirtschaft

Aufgrund seiner Eignung für ein breites Anwendungsspektrum wird Wasserstoff wesentlicher Bestandteil einer Wirtschaft mit geringem Ausstoß an Treibhausgasen sein. Vaisala ist weltweit führender Anbieter von Messinstrumenten für die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen und der einzige Anbieter, der bereits seit der ersten Entwicklungsphase Mitte der 1990er Jahre die hierfür benötigte langlebige Technologie bereitstellt. Führende Akteure wie Scribner verlassen sich bei der Entwicklung kostengünstiger, langlebiger und hochwertiger Brennstoffzellensysteme auf die Technologie von Vaisala. 

Nachhaltigkeit ist ein treibender Faktor für die Brennstoffzellenindustrie und prägt die technologischen Fortschritte, politische Entscheidungen sowie das Branchenwachstum. Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Möglichkeit, die Zukunft der Energie nachhaltiger zu gestalten, weil sie hohe Energieeffizienz, geringe Emissionen und schnelles Auftanken kombinieren, also für ein breites Anwendungsspektrum geeignet sind. Da Kosten, Leistung und Haltbarkeit nach wie vor die entscheidenden Herausforderungen der Brennstoffzellenbranche sind, können zukunftsorientierte Unternehmen wie Scribner mit den industriellen Überwachungslösungen von Vaisala kritische technische Barrieren überwinden und sauberere und vielseitigere Energielösungen entwickeln.