Sfruttare soluzioni impegnative di misurazione dell'umidità per far avanzare i sistemi di test delle celle a combustibile

Scribner, LLC, sviluppatore leader di strumentazione e software di alta qualità per la ricerca e lo sviluppo in campo elettrochimico, offre soluzioni riconosciute a livello mondiale come lo standard di riferimento per il controllo degli strumenti e l'analisi dei dati. Specializzata nella produzione di apparecchiature di prova per la conversione dell'energia elettrochimica e lo spazio di stoccaggio, Scribner necessita che i suoi sistemi di test per celle a combustibile producano una quantità molto stabile e riproducibile di vapore acqueo, o umidità, all'interno di un flusso di gas. 

La sfida: calibrazione del sistema di test delle celle a combustibile in ambienti con punto di rugiada elevato

Il vapore acqueo svolge un ruolo significativo in vari processi e reazioni elettrochimiche. Le celle a combustibile, ad esempio, convertono l’energia chimica dei reagenti – solitamente idrogeno e ossigeno – in energia elettrica. La cella a combustibile è composta da due elettrodi, anodo e catodo, separati da una pellicola o membrana ionomerica elettricamente isolante ma a conduttività ionica. Il separatore più comune utilizzato nelle celle a combustibile a bassa temperatura è la membrana elettrolitica polimerica (PEM), chiamata anche membrana a scambio protonico. L'anodo della cella a combustibile è gas idrogeno alimentato che viene ossidato per formare protoni ed elettroni. Gli elettroni sono costretti a viaggiare attraverso un circuito esterno, mentre i protoni migrano attraverso il separatore PEM per arrivare al catodo. Al catodo, l'ossigeno si combina con gli elettroni e i protoni per formare acqua. L'energia elettrica prodotta dalla cella a combustibile svolge un lavoro utile, come far funzionare un motore elettrico.

La conduzione dei protoni da parte della membrana ionomerica dipende fortemente dalla presenza di acqua. I PEM sono conduttori molto scarsi quando sono asciutti, mostrando un'elevata resistenza e una concomitante riduzione delle prestazioni delle celle a combustibile. In presenza di acqua, tuttavia, la membrana è un ottimo conduttore di protoni, presentando una bassa resistenza, con conseguente miglioramento delle prestazioni della cella a combustibile. Nei test sulle celle a combustibile, in cui l'umidità è un parametro di prova importante, il controllo del contenuto di vapore acqueo del combustibile a idrogeno e dell'aria contenente ossigeno è molto importante. 

Le aziende che sviluppano strumentazione di ricerca e sviluppo di alta qualità per celle a combustibile e membrane in ambienti con punto di rugiada elevato devono affrontare sfide specifiche di calibrazione e misurazione. Mantenere livelli di umidità accurati e stabili è essenziale, poiché la variazione influisce sulla riproducibilità e sull'accuratezza dei dati dei test sulle celle a combustibile, laddove un solo grado di differenza del punto di rugiada potrebbe comportare una riduzione dell'umidità relativa del 5%. Le procedure di calibrazione devono tenere conto delle sfide specifiche degli ambienti ad alta umidità e includere tecniche appropriate per garantire risultati affidabili e coerenti.

Concentrazioni più elevate di vapore acqueo all'interno dei sistemi elettrochimici possono anche potenzialmente provocare un'eccessiva condensa, accumulo e danni ai componenti del sistema, con conseguenti errori di misurazione e riduzione della durata del sensore.

Per rispondere ai severi requisiti di calibrazione in ambienti con punto di rugiada elevato, Scribner si è rivolta a Vaisala come soluzione ideale per un monitoraggio efficace e all'avanguardia di umidità e temperatura. 

La soluzione: monitoraggio all'avanguardia dell'umidità e della temperatura

I sistemi di test per celle a combustibile e membrane di Scribner devono produrre un punto di rugiada stabile e riproducibile per controllare con precisione l'umidificazione in un intervallo di temperatura e pressione. Secondo il consiglio di un cliente fidato, Scribner ha iniziato a utilizzare i trasmettitori di umidità e temperatura Vaisala HMT337 nel 2006, ma successivamente è passata alla sonda HMP7, l'ultima generazione della soluzione Vaisala. 

"Eravamo fiduciosi che se la soluzione Vaisala avesse funzionato in modo soddisfacente per loro, avrebbe funzionato anche per noi", ha affermato il dottor Kevin Cooper, Principal Scientist di Scribner. "Abbiamo sviluppato una camera del punto di rugiada personalizzata che contiene la sonda Vaisala tramite un raccordo Swagelok, è a temperatura controllata e dispone di porte per il flusso di gas in entrata e in uscita. La camera viene riscaldata a 10 gradi Celsius in più rispetto al punto di rugiada massimo previsto dalla procedura di calibrazione."

Scribner utilizza internamente gli strumenti Vaisala per calibrare gli umidificatori utilizzati nei suoi sistemi di test per celle a combustibile e membrane. Progettati per fornire gas con un punto di rugiada fino a 120 gradi Celsius, gli umidificatori sono calibrati ad un punto di rugiada di 80 gradi Celsius.

La versione OEM dell'HMT337, la HMT317, viene utilizzata nel sistema di test a membrana 740 (MTS) dell'azienda per il monitoraggio del punto di rugiada in situ e in tempo reale. Insieme alla misurazione della temperatura di processo, il punto di rugiada misurato fornisce l'umidità relativa (RH) in tempo reale, un parametro di processo fondamentale per i clienti di Scribner.

Grazie all'integrazione all'avanguardia del monitoraggio dell'umidità e della temperatura, Scribner può ottenere una calibrazione precisa e accurata del sistema di test delle celle a combustibile, anche in ambienti impegnativi ad alta umidità.

I vantaggi: calibrazione di misurazione accurata, ripetibile e rapida dove le prestazioni di misurazione sono essenziali 

Incorporare sensori di umidità e sistemi di monitoraggio affidabili è fondamentale per Scribner. Poiché la calibrazione e la convalida regolari dei sistemi di controllo dell'umidità sono essenziali per garantire precisione e riproducibilità, Scribner mette in servizio e fuori servizio a rotazione quattro strumenti Vaisala suddivisi in coppie, utilizzando i due strumenti calibrati per sei mesi prima di rispedirli a Vaisala per la calibrazione.

"Essendo un prodotto affidabile e di alta qualità, Vaisala HMT337 soddisfa le nostre specifiche in termini di temperatura di esercizio e intervallo del punto di rugiada, precisione, ecc. Il potenziale prestazionale della strumentazione e la capacità di effettuare misurazioni del punto di rugiada elevato sono fondamentali e le dimensioni sono adatte alle nostre esigenze", ha continuato Cooper. "Apprezziamo molto la strumentazione Vaisala. Non abbiamo altro che cose positive da dire a riguardo." 

L'esecuzione di test in condizioni di umidità controllata, il monitoraggio del contenuto di vapore acqueo e l'analisi della coerenza e della ripetibilità dei risultati consentono a Scribner di ottimizzare la progettazione e il funzionamento dei suoi sistemi di umidificazione. Scribner ha venduto più di 700 sistemi di test integrati per celle a combustibile che includono sistemi di umidificazione e quindi richiedono la calibrazione del punto di rugiada; inoltre ogni unità di umidificazione è stata calibrata utilizzando uno strumento Vaisala. La soluzione 740 MTS di Scribner non sarebbe praticabile senza il monitoraggio in tempo reale del punto di rugiada in situ. Vaisala HMT337 è fondamentale per il funzionamento e le prestazioni di tale strumentazione.

L'HMT337, HMT317, HMM170 e l'HMP7 di ultima generazione utilizzano l'esclusiva tecnologia di misurazione con sonda riscaldata di Vaisala che affronta con successo molte sfide di misurazione a umidità elevata. La sonda riscaldata si basa su un sensore composito di umidità e temperatura. Con un sensore composito, Scribner può monitorare il punto di rugiada e, insieme alla temperatura di prova, calcolare l'umidità relativa delle alimentazioni dell'anodo e del catodo.  

La sonda riscaldata è dotata di un riscaldatore a resistenza elettrica separato installato all'interno della sonda e controllato dall'umidità relativa misurata internamente. L'algoritmo di controllo mantiene la sonda diversi gradi al di sopra della temperatura ambiente per garantire che l'acqua non si condensi sul sensore composito anche quando l'ambiente di misurazione è alla temperatura del punto di rugiada.

Utilizzando sistemi di monitoraggio dell'umidità di alta qualità con sensibilità, precisione e tempi di risposta adeguati, come la sonda di umidità relativa e temperatura Vaisala HMP7, Scribner garantisce che i suoi clienti possano valutare con sicurezza le prestazioni, l'efficienza, la stabilità e la durata delle celle a combustibile in varie condizioni operative. 

Misurazione di precisione: promuovere la sostenibilità e l’innovazione nell’economia dell’idrogeno

L’idrogeno è destinato a ricoprire un ruolo significativo nell’imminente economia a basse emissioni di carbonio grazie alla sua idoneità per un’ampia gamma di applicazioni. Leader nella strumentazione di misurazione utilizzata nello sviluppo del mercato globale delle celle a combustibile a idrogeno, Vaisala è l'unica azienda in grado di fornire una tecnologia durevole per supportare lo sviluppo delle celle a combustibile a idrogeno sin dalla sua fase di sviluppo iniziale a metà degli anni '90. I principali attori del settore, come Scribner, dipendono dalla tecnologia di Vaisala per lo sviluppo di sistemi di celle a combustibile convenienti, durevoli e di alta qualità. 

La sostenibilità è una forza trainante nel settore delle celle a combustibile, che determina i progressi tecnologici, le decisioni politiche e la crescita del settore. Le celle a combustibile offrono un percorso promettente verso un futuro energetico più sostenibile offrendo elevata efficienza energetica, basse emissioni e rifornimento rapido, consentendo un’ampia gamma di applicazioni. Considerato che costi, prestazioni e durabilità rimangono sfide cruciali nel settore delle celle a combustibile, le soluzioni di monitoraggio industriale di Vaisala consentono a organizzazioni lungimiranti come Scribner di superare barriere tecniche critiche e sviluppare soluzioni energetiche più pulite e versatili.