Vaativien kosteusmittausratkaisujen hyödyntäminen polttokennojen testausjärjestelmien kehittämisessä

Scribner, LLC on johtava sähkökemiallisessa tutkimus- ja kehitystyössä käytettävien mittalaitteiden ja ohjelmistojen kehittäjä, jonka ratkaisuja pidetään yleisesti mittalaitteiden ohjauksen ja data-analyysin kultaisena standardina. Sähkökemiallisen energian muunto- ja varastointitiloissa käytettävien testauslaitteiden valmistukseen erikoistunut Scribner tarvitsee polttokennojen testausjärjestelmän, joka tuottaa kaasuvirtaan erittäin vakaan, toistettavissa olevan määrän vesihöyryä. 

Haaste: Polttokennojen testausjärjestelmän kalibrointi ympäristössä, jossa on korkea kastepiste

Vesihöyryllä on merkittävä rooli monissa sähkökemiallisissa prosesseissa ja reaktioissa. Esimerkiksi polttokennot muuntavat reagoivien aineiden, tyypillisesti vedyn ja hapen, kemiallisen energian sähköenergiaksi. Polttokenno koostuu kahdesta elektrodista – anodista ja katodista – jotka on erotettu toisistaan sähköä eristävällä mutta ionisesti johtavalla ionomeerikalvolla. Yleisin matalan lämpötilan polttokennoissa käytettävä erotin on polymeeri-elektrolyytti-membraani (PEM), jota sanotaan myös protoninvaihtokalvoksi. Polttokennon anodiin syötetään vetykaasua, joka hapettuu muodostaen protoneja ja elektroneja. Elektronit pakotetaan kulkemaan ulkoisen piirin kautta, kun taas protonit siirtyvät katodille PEM-erottimen läpi. Katodilla happi yhdistyy elektroneihin ja protoneihin, jolloin muodostuu vettä. Polttokennon tuottamaa sähköenergiaa käytetään esimerkiksi sähkömoottorin pyörittämiseen.

Protonien johtuminen ionomeerikalvon läpi edellyttää, että järjestelmässä on vettä. Kuivalla protoninvaihtokalvolla on suuri vastus, joten se johtaa erittäin huonosti ja heikentää polttokennon suorituskykyä. Vesi sen sijaan pienentää vastusta ja tekee kalvosta erittäin hyvän protonijohtimen. Polttokennojen testauksessa, jossa kosteus on tärkeä testiparametri, on erittäin tärkeää valvoa vetypolttoaineen ja happipitoisen ilman vesihöyrypitoisuutta. 

Yritykset, jotka kehittävät korkealaatuisia mittalaitteita korkean kastepisteen ympäristöissä tapahtuvaan polttokennojen ja kalvojen tutkimukseen ja kehitykseen, kohtaavat varsin suuria kalibrointi- ja mittaushaasteita. Tarkkojen ja vakaiden kosteustasojen ylläpitäminen on välttämätöntä, sillä vaihtelut vaikuttavat polttokennojen testitulosten toistettavuuteen ja tarkkuuteen – jo yhden asteen ero kastepisteessä voi johtaa viiden prosentin virheeseen suhteellisen kosteuden mittaustuloksessa. Kalibrointimenetelmissä on otettava huomioon erittäin kosteiden ympäristöjen tuomat erityiset haasteet ja käytettävä asianmukaisia tekniikoita, joilla voidaan varmistaa luotettavat ja yhdenmukaiset tulokset.

Korkea vesihöyrypitoisuus sähkökemiallisessa järjestelmässä saattaa myös johtaa liialliseen kondensaatioon, mikä vaurioittaa järjestelmäkomponentteja, aiheuttaa mittausvirheitä ja lyhentää anturin käyttöikää.

Voidakseen vastata haastavien korkean kastepisteen ympäristöjen kalibrointivaatimuksiin Scribner valitsi Vaisalan ratkaisun, joka mahdollistaa kosteuden ja lämpötilan tehokkaan ja teknisesti edistyneen seurannan. 

Ratkaisu: Huippuluokan kosteus- ja lämpötilavalvonta

Scribnerin polttokennojen ja kalvojen testausjärjestelmien täytyy tuottaa vakaa, toistettavissa oleva kastepiste, jotta kosteutta voidaan hallita tarkasti eri lämpötiloissa ja paineissa. Scribner alkoi käyttää Vaisala HMT337 ‑kosteus- ja lämpötilalähettimiä vuonna 2006 luotettavan asiakkaan suosituksen perusteella. Sittemmin yritys on siirtynyt käyttämään Vaisalan uuden sukupolven HMP7-mittapäätä. 

”Olimme vakuuttuneita siitä, että jos Vaisalan ratkaisu toimi hyvin heillä, se toimisi myös meillä”, Scribnerin johtava tutkija Kevin Cooper kertoo. ”Kehitimme mukautetun kastepistekammion, johon liitimme Vaisalan mittapään Swagelok-liittimen kautta. Kammio on lämpötilasäädelty, ja siinä on portit kaasun tulo- ja poistovirtaukselle. Kammio lämmitetään 10 astetta odotettua kalibroinnin korkeinta kastepistettä korkeampaan lämpötilaan.”

Scribner käyttää Vaisalan mittalaitteita polttokennojen ja kalvojen testausjärjestelmissä tarvittavien kostuttimien kalibrointiin. Kostuttimet on suunniteltu tuottamaan kaasua, jonka kastepiste on jopa 120 °C, ja ne on kalibroitu 80 °C:n kastepisteessä.

Yrityksen 740 MTS ‑kalvontestausjärjestelmä käyttää HMT337:n OEM-versiota HMT317:ää kastepisteen reaaliaikaiseen valvontaan suoraan prosessissa. Kastepisteen ja prosessilämpötilan mittausarvoista saadaan laskettua reaaliaikainen suhteellinen kosteus, joka on kriittinen prosessiparametri Scribnerin asiakkaille.

Huippuluokan kosteus- ja lämpötilavalvonnan avulla Scribner pystyy kalibroimaan polttokennojen testausjärjestelmän tarkasti jopa haastavissa ja erittäin kosteissa ympäristöissä.

Edut: Tarkka, toistettava ja nopea mittauskalibrointi käyttökohteissa, joissa hyvät mittaustulokset ovat kriittisiä 

Luotettavien kosteusanturien ja valvontaratkaisujen sisällyttäminen järjestelmiin on Scribnerille erittäin tärkeää. Koska kosteudenhallintajärjestelmien säännöllinen kalibrointi ja validointi on välttämätöntä tarkkuuden ja toistettavuuden varmistamiseksi, Scribner kierrättää neljää Vaisalan mittalaitetta pareittain. Toista laiteparia käytetään kuuden kuukauden ajan, minkä jälkeen se lähetetään takaisin Vaisalalle kalibroitavaksi ja tilalle asennetaan toinen laitepari.

”Vaisala HMT337 on laadukas ja luotettava tuote, joka täyttää muun muassa käyttölämpötilaa, kastepistealuetta ja tarkkuutta koskevat vaatimuksemme. Mittalaitteen tehokkuus ja kyky mitata korkeita kastepisteitä on ehdottoman tärkeää, ja myös muotoilu sopii tarkoituksiimme erittäin hyvin”, Cooper jatkaa. ”Vaisalan mittalaite on kerrassaan loistava, ja löydän siitä pelkästään hyviä puolia.” 

Testien suorittaminen kontrolloiduissa kosteusolosuhteissa, vesihöyrypitoisuuden valvonta sekä tulosten yhdenmukaisuuden ja toistettavuuden analysointi antavat Scribnerille mahdollisuuden optimoida kostutusjärjestelmiensä rakenteen ja toiminnan. Scribner on myynyt yli 700 integroitua polttokennojen testausjärjestelmää, joissa käytetään kosteuttimia ja jotka siksi vaativat kastepistekalibrointia – ja jokainen kostutin on kalibroitu Vaisalan mittalaitteella. Scribnerin 740 MTS ‑ratkaisu ei myöskään olisi käyttökelpoinen ilman reaaliaikaista kastepisteen valvontaa suoraan prosessissa. Vaisala HMT337:llä on laitteen toiminnan ja suorituskyvyn kannalta kriittinen tehtävä.

HMT337, HMT317, HMM170 ja uusimman sukupolven HMP7 käyttävät kaikki Vaisalan ainutlaatuista mittapään lämmitysteknologiaa, joka ratkaisee monet kosteiden ympäristöjen mittaushaasteista. Lämmitetty mittapää perustuu kosteus- ja lämpötila-antureiden yhdistelmään. Tämän yhdistelmäanturin avulla Scribner voi valvoa kastepistettä, ja käyttämällä apuna testilämpötilaa, myös laskea anodi- ja katodisyöttöjen suhteellisen kosteuden.  

Lämmitetyn mittapään sisällä on erillinen sähkövastukseen perustuva lämmitin, jota säädetään sisäisesti mitatun suhteellisen kosteuden perusteella. Säätöalgoritmi pitää mittapään lämpötilan muutaman asteen ympäristön lämpötilaa korkeampana ja varmistaa näin, ettei vettä pääse tiivistymään komposiittianturille silloinkaan, kun mittausympäristö on kastepistelämpötilassa.

Käyttämällä korkealaatuisia kosteudenvalvontajärjestelmiä, joilla on sopiva herkkyys, tarkkuus ja vasteaika – toisin sanoen Vaisalan suhteellisen kosteuden ja lämpötilan mittapäätä HMP7 – Scribner varmistaa, että sen asiakkaat voivat luotettavasti arvioida polttokennojensa suorituskykyä, tehokkuutta, vakautta ja kestävyyttä erilaisissa käyttöolosuhteissa. 

Tarkka mittaus: Kestävän kehityksen ja innovaation edistäminen vetytaloudessa

Vety sopii monenlaisiin sovelluksiin, joten sen odotetaan toimivan merkittävänä apuna tulevaisuuden vähähiilisessä taloudessa. Vaisala on johtava vetypolttokennomarkkinoiden mittalaitteiden toimittaja ja ainoa, jonka kestävä teknologia on tukenut vetypolttokennojen kehitystä jo ensimmäisistä 90-luvun puolivälin aikoihin nähdyistä kehitysvaiheista alkaen. Scribnerin kaltaiset alan johtavat toimijat tarvitsevat Vaisalan teknologiaa voidakseen kehittää kustannustehokkaita, kestäviä ja laadukkaita polttokennojärjestelmiä. 

Kestävä kehitys on polttokennoalan liikkeellepaneva voima, jolla on suuri vaikutus teknologian kehitykseen, poliittisiin päätöksiin ja teollisuuden kasvuun. Polttokennot antavat lupauksen kestävästä energiatulevaisuudesta tarjoamalla hyvän energiatehokkuuden, alhaiset päästöt ja nopean uudelleentäytön, joten niille on lukuisia käyttökohteita eri aloilla. Kustannukset, suorituskyky ja kestävyys ovat jatkossakin polttokennoteollisuuden kriittisiä haasteita, ja Vaisalan teollisuusvalvontaratkaisut antavat Scribnerin kaltaisille tulevaisuuteen suuntautuville organisaatioille mahdollisuuden ylittää kriittiset tekniset esteet ja kehittää aiempia puhtaampia ja monikäyttöisempiä energiaratkaisuja.