Prozessanalyse bei der Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM): Schutz des Stacks und Gewährleistung der Reinheit
Die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) ist die Technologie der Wahl für die dynamische, dezentrale Erzeugung von grünem Wasserstoff, insbesondere in Verbindung mit schwankenden Netzen aus erneuerbaren Energien (Wind und Sonne). Durch den Einsatz teurer Katalysatoren aus Platingruppenmetallen und empfindlicher Perfluorsulfonsäure-Membranen sind PEM-Systeme jedoch äußerst anfällig für chemische Verunreinigungen.
Um einen vorzeitigen Verschleiß des Brennstoffzellenstapels zu verhindern und die für Brennstoffzellen geeignete Wasserstoffreinheit zu gewährleisten, sind präzise Wasserqualitäts- und Spurengasanalysen von entscheidender Bedeutung.
Technische Herausforderungen in PEM-Anlagen
Katalysatorvergiftung: Spuren von Metallionen, organischen Verbindungen oder Kohlenstoffoxiden im Speisewasser können die Anoden-/Kathodenkatalysatoren irreversibel vergiften.
Spurenfeuchtigkeit bei hohem Druck: PEM-Elektrolyseure arbeiten häufig bei hohen Differenzdrücken (30 bar oder mehr). Die Messung von Spurenwasserdampf (H₂O in ppm) in Hochdruck-Wasserstoffleitungen erfordert eine spezielle Sensorkonstruktion.
Dynamische Lastschwankungen: Schnelle Änderungen der Leistungsaufnahme führen zu schwankenden Gasdurchflussraten, was reaktionsschnelle Analysesysteme erfordert, die auch bei schwankenden Drücken ihre Genauigkeit beibehalten.
Kritische analytische Messpunkte (MPs)
MP 1: Überwachung des Reinstwasser-Kreislaufs (UPW)
Das Prozessziel: Sicherstellen, dass das Speisewasser kontinuierlich die strengen Leitfähigkeitsgrenzwerte (<0,1 μS/cm) einhält, um die Protonenaustauschmembran vor Verschmutzung zu schützen.
Die analytische Herausforderung: Herkömmliche pH- und Leitfähigkeitssensoren weisen in ultrareinem Wasser mit geringer Leitfähigkeit aufgrund von Schwankungen des Flüssigkeitsübergangspotenzials starke Abweichungen auf.
MZD Solution Link: Wir integrieren unsere Produkte mit geringer Leitfähigkeit 4-Elektroden-Leitfähigkeitssensor sowie spezialisierte nichtporöse Festkörper- pH-/ORP-Sensoren um eine driftfreie Überwachung des ultrareinen Wassers zu gewährleisten.
MP 2: Sicherheit im Schornstein und Übergang von feuchtem Gas
Das Prozessziel: Überwachung des Membranzustands durch Überprüfung auf Gasübertragung (H₂ in O₂ / O₂ in H₂) direkt an den Abgasabscheidern.
Die analytische Herausforderung: Schnelle Reaktion auf Crossover bei plötzlichen dynamischen Leistungsänderungen.
MZD Solution Link: Die schnelle Reaktion im Bereich der Gassicherheit wird durch unsere Optischer Sauerstoffanalysator mit Fluoreszenzlöschung mit der MZD BaroSense™-Technologie in Kombination mit unserer aktiven Wärmeleitfähigkeit Wasserstoffanalysator.
MP 3: Überprüfung der Wasserstoffreinheit und des Taupunkts für Brennstoffzellen
Das Prozessziel: Nachweise dafür zu erbringen, dass der am Ende des Prozesses anfallende Wasserstoff die Anforderungen der Norm ISO 14687, Klasse D (Reinheit > 99,97 %, < 5 ppm H₂O) für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) erfüllt.
Die analytische Herausforderung: Die herkömmliche Gaschromatographie ist für eine kontinuierliche Online-Überwachung zu langsam und zu teuer.
MZD Solution Link: Wir nutzen unsere spezialisierte H2-Analysator für ultrahochreine Gase (mit einem Gehalt von 99,5–100 Vol.-%) und unser elektrolytisches P₂O₅ mit absolutem Gehalt Spurenfeuchtigkeitsanalysator für absolute Sicherheit hinsichtlich des Taupunkts.
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