Utnyttja krävande mätningslösningar för luftfuktighet i syfte att utveckla testsystem för bränsleceller

Scribner, LLC, en ledande utvecklare av högkvalitativ instrumentering och programvara för elektrokemisk forskning och utveckling, levererar lösningar som är globalt erkända som guldstandarden inom instrumentkontroll och dataanalys. Scribner, som är specialiserat på tillverkning av testutrustning inom elektrokemisk energiomvandling och lagringsutrymme, kräver att dess testsystem för bränsleceller genererar en mycket stabil, reproducerbar mängd vattenånga, eller fuktighet, i en gasström. 

Utmaningen: Kalibrering av testsystem för bränsleceller i miljöer med hög daggpunkt

Vattenånga spelar en betydande roll för olika elektrokemiska processer och reaktioner. Bränsleceller omvandlar till exempel den kemiska energin hos reaktanter – vanligtvis vätgas och syrgas – till elektrisk energi. Bränslecellen består av två elektroder – anod och katod – åtskilda av elektriskt isolerande men joniskt ledande jonomerfilm eller -membran. Den vanligaste separatorn som används i lågtemperaturbränsleceller är polymerelektrolytmembranet (PEM), även kallat protonbytesmembranet. Bränslecellsanoden matas med vätgas, där den oxideras för att bilda protoner och elektroner. Elektronerna tvingas färdas genom en extern krets, medan protonerna migrerar genom PEM-separatorn för att komma fram till katoden. Vid katoden kombineras syrgas med elektronerna och protonerna för att bilda vatten. Den elektriska energin som genereras av bränslecellen utför nyttigt arbete, som att driva en elmotor.

Protonledning av jonomermembranet beror starkt på närvaron av vatten. PEM är mycket dåliga ledare när de är torra, samt uppvisar högt motstånd och åtföljande minskad bränslecellsprestanda. I närvaro av vatten är emellertid membranet en mycket bra protonledare som uppvisar ett lågt motstånd, vilket leder till förbättrad bränslecellsprestanda. Vid bränslecellstestning, där fuktighet är en viktig testparameter, är det mycket viktigt att kontrollera mängden vattenånga i vätgasbränslet och den syrgashaltiga luften. 

Företag som utvecklar högkvalitativa FoU-instrument för bränsleceller och membran i miljöer med hög daggpunkt står inför specifika kalibrerings- och mätningsutmaningar. Att upprätthålla exakta och stabila fuktighetsnivåer är viktigt, detta eftersom variationer påverkar reproducerbarheten och noggrannheten hos bränslecellstestdata – med bara en grads daggpunktsskillnad som potentiellt kan resultera i att den relativa luftfuktigheten minskar med 5 %. Kalibreringsprocedurer måste ta hänsyn till de specifika utmaningarna i miljöer med hög luftfuktighet och införliva lämpliga tekniker för att säkerställa tillförlitliga och konsekventa resultat.

Högre koncentrationer vattenånga i elektrokemiska system kan också potentiellt resultera i överdriven kondensation, ackumulering och skador på systemkomponenterna, vilket leder till mätningsfel och minskad sensorlivslängd.

Som svar på de krävande kalibreringskraven i miljöer med hög daggpunkt vände Scribner sig till Vaisala som den bästa lösningen för effektiv, toppmodern fuktighets- och temperaturövervakning. 

Lösningen: toppmodern fuktighets- och temperaturövervakning

Scribners bränslecells- och membrantestsystem måste generera en stabil, reproducerbar daggpunkt i syfte att exakt kontrollera fuktgenerering över en rad olika temperaturer och tryck. Enligt en pålitlig kunds rekommendation har Scribner utnyttjat fuktighets- och temperaturtransmitters HMT337 från Vaisala sedan 2006 men har sedan dess flyttat till HMP7-proben, Vaisalas senaste generation av lösningen. 

"Vi var övertygade om att om Vaisala-lösningen fungerade tillfredsställande för dem, så skulle den också fungera för oss", säger dr Kevin Cooper, huvudforskare på Scribner. "Vi utvecklade en anpassad daggpunktskammare som innehåller Vaisala-proben via en Swagelok-koppling, är temperaturkontrollerad och har portar för gasflöde in och ut. Kammaren värms upp till 10 grader Celsius över den maximala förväntade daggpunkten för kalibreringsproceduren."

Scribner använder Vaisala-instrument internt för att kalibrera de luftfuktare som används i dess bränslecells- och membrantestsystem. Luftfuktarna har utformats för att leverera gas med en daggpunkt på upp till 120 grader Celsius och har därför kalibrerats vid en daggpunkt på 80 grader Celsius.

OEM-versionen av HMT337, HMT317, används i företagets 740 Membrane Test System (MTS) för daggpunktsövervakning in situ i realtid. I samband med den uppmätta processtemperaturen ger den uppmätta daggpunkten relativ luftfuktighet i realtid (RH), en kritisk processparameter för Scribners kunder.

Med toppmoderna övervakningssystem för fuktighet och temperatur kan Scribner uppnå exakt och korrekt kalibrering av bränslecellstestsystem – även i krävande miljöer med hög luftfuktighet.

Fördelarna: Noggrann, repeterbar och snabb mätningskalibrering där mätningsprestanda är avgörande 

Att integrera pålitliga fuktighetssensorer och övervakningssystem är avgörande för Scribner. Eftersom regelbunden kalibrering och validering av kontrollsystem för fuktighet är avgörande för att säkerställa noggrannhet och reproducerbarhet roterar Scribner fyra Vaisala-instrument i och ur drift i par, samt distribuerar de för närvarande kalibrerade två i sex månader innan de skickas tillbaka till Vaisala för kalibrering.

"Som en högkvalitativ, pålitlig produkt uppfyller Vaisala HMT337 våra erforderliga specifikationer med avseende på drifttemperatur och daggpunktsintervall, noggrannhet osv. Instrumentets prestandapotential och förmåga att utföra höga daggpunktsmätningar är avgörande – och formfaktorn fungerar bra för oss", fortsatte Cooper. "Vi älskar Vaisala-instrumentet. Vi har inget annat än gott att säga om det." 

Möjligheten att köra tester med kontrollerade luftfuktighetsförhållanden, övervaka mängden vattenånga och analysera resultatens konsistens och repeterbarhet gör att Scribner kan optimera designen och driften av sina fuktgenereringssystem. Scribner har sålt mer än 700 integrerade testsystem för bränsleceller som inkluderar fuktgenereringssystem och kräver därför daggpunktskalibrering - och varje luftfuktarenhet har kalibrerats med ett Vaisala-instrument. Dessutom skulle Scribners 740 MTS-lösning inte vara genomförbar utan realtidsövervakning av daggpunkt in situ. Vaisala HMT337 är avgörande för instrumentets funktion och prestanda.

HMT337, HMT317, HMM170 och den senaste generationens HMP7 använder alla Vaisalas unika mätteknik med uppvärmd prob, som framgångsrikt hanterar många utmaningar inom mätning vid hög luftfuktighet. Den uppvärmda proben är beroende av en sammansatt fuktighets- och bunden temperatursensor. Med en sammansatt sensor kan Scribner övervaka daggpunkten och, tillsammans med testtemperaturen, beräkna RH för anod- och katodmatningen.  

Den uppvärmda proben har en separat elektrisk motståndsvärmare installerad i proben och kontrolleras av internt uppmätt RH. Kontrollalgoritmens design håller proben flera grader över omgivningstemperaturen, detta för att säkerställa att vatten inte kondenserar på den sammansatta sensorn även då mätmiljön befinner sig vid daggpunktstemperaturen.

Genom att använda högkvalitativa övervakningssystem för fuktighet med lämplig känslighet, noggrannhet och svarstid – som Vaisalas prob HMP7 för relativ luftfuktighet och temperatur – säkerställer Scribner att dess kunder tryggt kan bedöma prestanda, effektivitet, stabilitet och hållbarhet hos bränsleceller under olika driftsförhållanden. 

Precisionsmätning: Driver hållbarhet och innovation i vätgasekonomin

Vätgaskommer att bli en betydande del av den kommande ekonomin med låga koldioxidutsläpp, detta på grund av dess lämplighet för ett brett urval tillämpningar. Vaisala är ledande inom mätinstrumentering som används inom den globala utvecklingen av marknaden för vätgasbränsleceller, samt är den enda leverantören att främja utvecklingen av vätgasbränsleceller sedan den tidiga utvecklingsfasen i mitten av 90-talet. Ledande aktörer - som Scribner - är beroende av Vaisalas teknologi för utveckling av kostnadseffektiva, hållbara och högkvalitativa bränslecellssystem. 

Hållbarhet är en drivkraft inom bränslecellsindustrin som formar tekniska framsteg, policybeslut och branschtillväxt. Bränsleceller erbjuder en lovande väg till en mer hållbar energiframtid genom att erbjuda hög energieffektivitet, låga utsläpp och snabb tankning, vilket möjliggör ett brett spektrum av tillämpningar. Då kostnader, prestanda och hållbarhet fortfarande är kritiska utmaningar inom bränslecellsindustrin ger Vaisalas industriella övervakningslösningar framtidstänkande organisationer som Scribner möjlighet att övervinna kritiska tekniska barriärer och utveckla renare och mer mångsidiga energilösningar.