Exploitation des solutions de mesure de l'humidité exigeantes pour promouvoir les systèmes de test des piles à combustible

L'un des principaux fabricants d'instruments et de logiciels de haute qualité destinés à la recherche et au développement électrochimiques, Scribner, LLC propose des solutions mondialement reconnues pour le contrôle des instruments et l'analyse des données. Spécialiste des équipements de test destinés à la conversion et au stockage de l'énergie électrochimique, Scribner exige que ses systèmes de test de piles à combustible produisent une quantité de vapeur d'eau ou d'humidité particulièrement stable et reproductible dans un flux de gaz. 

Le défi : étalonnage du système de test des piles à combustible dans des environnements à point de rosée élevé

La vapeur d'eau joue un rôle significatif dans différents processus et réactions électrochimiques. Les piles à combustible, par exemple, convertissent l'énergie chimique des réactifs – généralement l'hydrogène et l'oxygène – en énergie électrique. La pile à combustible est composée de deux électrodes – anode et cathode – séparées par un film ou une membrane ionomère électriquement isolant mais conducteur ionique. Le séparateur le plus couramment utilisé dans les piles à combustible à basse température est la membrane à électrolyte polymère (PEM), également appelée membrane échangeuse de protons. L'anode de la pile à combustible est alimentée en hydrogène gazeux où il est oxydé pour former des protons et des électrons. Les électrons sont contraints à traverser un circuit externe, tandis que les protons migrent à travers le séparateur PEM pour arriver dans la cathode. Au niveau de la cathode, l'oxygène se lie aux électrons et aux protons pour former de l'eau. L'énergie électrique produite par la pile à combustible réalise des tâches utiles, comme alimenter un moteur électrique.

La conduction protonique de la membrane ionomère dépend fortement de la présence d'eau. Les PEM sont de très mauvais conducteurs lorsqu'ils sont secs, avec une résistance élevée et donc une moindre performance de la pile à combustible. Cependant, en présence d'eau, la membrane est un très bon conducteur de protons avec une faible résistance, ce qui améliore les performances de la pile à combustible. Lors des tests de piles à combustible, dans lesquels l'humidité joue un grand rôle, il est très important de contrôler la concentration de vapeur d'eau de l'hydrogène et de la concentration d'oxygène dans l'air. 

Les entreprises qui développent des instruments de R&D de haute qualité pour les piles à combustible et les membranes destinées à des environnements à point de rosée élevé sont confrontées à des défis spécifiques en matière d'étalonnage et de mesure. Il est essentiel de maintenir des niveaux d'humidité exacts et stables, car les variations ont un impact sur la reproductibilité et l'exactitude des données de test des piles à combustible : un écart d'un seul degré du point de rosée peut entraîner une baisse de l'humidité relative de 5 %. Les procédures d'étalonnage doivent tenir compte des défis spécifiques des environnements très humides et intégrer des techniques appropriées pour garantir la fiabilité et la cohérence des résultats.

De plus, les concentrations supérieures de vapeur d'eau dans les systèmes électrochimiques peuvent également entraîner une condensation excessive, une accumulation et des dommages au niveau des composants du système, et donc causer des erreurs de mesure et réduire la durée de vie des capteurs.

Pour répondre aux grandes exigences d'étalonnage des environnements à haut point de rosée, Scribner s'est tournée vers Vaisala, le spécialiste de la surveillance efficace et de pointe de l'humidité et de la température. 

La solution : surveillance haut de gamme de l'humidité et de la température

Les systèmes de test de piles à combustible et de membranes de Scribner doivent produire un point de rosée stable et reproductible pour contrôler exactement l'humidification dans une plage de températures et de pressions. Fidèle aux recommandations d'un client de confiance, Scribner utilise les transmetteurs d'humidité et de température Vaisala HMT337 depuis 2006. Entre-temps, l'entreprise est passée à la sonde HMP7, la dernière génération de la solution Vaisala. 

« Nous étions convaincus que si la solution Vaisala donnait des résultats satisfaisants chez eux, elle le ferait également chez nous, » a déclaré le Dr Kevin Cooper, directeur scientifique chez Scribner. « Nous avons développé une chambre de point de rosée personnalisée dans laquelle la sonde Vaisala est maintenue en place par un raccord Swagelok et dont la température est contrôlée et dotée d'orifices pour l'entrée et la sortie du gaz. La chambre est chauffée à 10 degrés Celsius au-dessus du point de rosée maximum attendu lors de la procédure d'étalonnage. »

Scribner utilise les instruments Vaisala en interne pour étalonner les humidificateurs utilisés dans ses systèmes de test de piles à combustible et de membranes. Conçus pour fournir du gaz avec un point de rosée allant jusqu'à 120 degrés Celsius, les humidificateurs sont étalonnés à un point de rosée de 80 degrés Celsius.

La version pour équipementier du HMT337, le HMT317, est utilisée dans le système de test de membrane 740 (MTS) de la société pour la surveillance in situ et en temps réel du point de rosée. En liaison avec la mesure de la température du processus, le point de rosée mesuré indique l'humidité relative (HR) en temps réel, un paramètre de processus critique pour les clients de Scribner.

Grâce à l'intégration haut de gamme de la surveillance de l'humidité et de la température, Scribner peut réaliser un étalonnage exact et précis du système de test des piles à combustible, même dans des environnements exigeants à forte humidité.

Les avantages : étalonnage de mesure exact, reproductible et rapide là où les performances de mesure sont essentielles 

L'intégration de capteurs d'humidité et de systèmes de surveillance fiables est cruciale pour Scribner. L'étalonnage et la validation réguliers des systèmes de contrôle de l'humidité étant essentiels pour garantir l'exactitude et la reproductibilité, Scribner utilise alternativement deux paires d'instruments qui sont renvoyées tous les six mois à Vaisala pour étalonnage.

« Fiable et de haute qualité, le Vaisala HMT337 répond à nos spécifications en matière de température de fonctionnement et de plage de points de rosée, d'exactitude, etc. Le potentiel de performances de l'instrument et sa capacité à mesurer le point de rosée élevé sont essentiels — sans oublier sa forme qui nous convient très bien, » poursuivit le Dr Cooper. « Nous apprécions les instruments Vaisala. Je ne peux en dire que du bien. » 

Exécuter des tests dans des conditions d'humidité contrôlées, surveiller la concentration de vapeur d'eau et analyser la cohérence et la répétabilité des résultats permet à Scribner d'optimiser la conception et le fonctionnement de ses systèmes d'humidification. Scribner a vendu plus de 700 systèmes de test intégrés de piles à combustible qui englobent des systèmes d'humidification et nécessitent donc un étalonnage du point de rosée — et chaque unité d'humidification a été étalonnée à l'aide d'un instrument Vaisala. De plus, la solution 740 MTS de Scribner ne serait pas viable sans une surveillance in situ et en temps réel du point de rosée. Le Vaisala HMT337 est essentiel au fonctionnement et aux performances de cet instrument.

Le HMT337, le HMT317, le HMM170 et le HMP7 de dernière génération utilisent tous la technologie de mesure à sonde chauffée unique de Vaisala qui répond avec succès à de nombreux défis de mesure de l'humidité élevée. La sonde chauffée repose sur un capteur d'humidité composite associé à un capteur de température. Grâce à un capteur composite, Scribner peut surveiller le point de rosée et, avec la température de test, calculer l'humidité relative des alimentations de l'anode et de la cathode.  

La sonde chauffée est dotée d'une résistance électrique chauffante séparée, installée à l'intérieur de la sonde et contrôlée par l'HR mesurée en interne. De par sa conception, l'algorithme de contrôle maintient la sonde à une température de plusieurs degrés au-dessus de la température ambiante pour exclure toute formation de condensation sur le capteur composite même si l'environnement de mesure est à la température du point de rosée.

En utilisant des systèmes de surveillance de l'humidité de haute qualité avec une sensibilité, une exactitude et un temps de réponse appropriés, comme la sonde d'humidité relative et de température Vaisala HMP7, Scribner garantit à ses clients la sécurité d'évaluation des performances, de l'efficacité, de la stabilité et de la durabilité des piles à combustible dans différentes conditions de fonctionnement. 

Mesure de précision : promouvoir la durabilité et l'innovation dans l'économie de l'hydrogène

L'hydrogène est appelé à jouer un rôle important dans l'économie à faibles émissions de carbone qui se profile à l'horizon, car il convient à un vaste éventail d'applications. Leader dans la fabrication d'instruments de mesure utilisé sur le marché mondial croissant des piles à hydrogène, Vaisala est le seul fournisseur à proposer une technologie durable pour soutenir le développement des piles à hydrogène depuis le début, au milieu des années 90. Les leaders de la scène, comme Scribner, font confiance à la technologie de Vaisala pour développer des systèmes de piles à combustible rentables, durables et de haute qualité. 

La durabilité est une force motrice dans l'industrie des piles à combustible qui façonne les avancées technologiques, les décisions politiques et la croissance. Les piles à combustible constituent une solution prometteuse dans un avenir énergétique plus durable en offrant une efficacité énergétique élevée, de faibles émissions et un ravitaillement rapide, ce qui permet un large éventail d'applications. Le coût, les performances et la durabilité restant des défis critiques dans l'industrie des piles à combustible, les solutions de surveillance industrielle de Vaisala permettent aux organisations avant-gardistes comme Scribner de surmonter les obstacles techniques difficiles et de développer des solutions énergétiques plus propres et plus polyvalentes.