Ein neues Konzentrationsmodell für Methanol / Wasser Gemische wird gezeigt. Das Modell deckt umfangreiche Prozessbedingungen ab: Bei Temperaturen von 0-80°C können Konzentrationen von 0-100% mit einer Genauigkeit von ± 0.2% aus der Dichte berechnet werden. Die direct methanol fuel cell (DMFC) ist hierfür als Stromquelle der Zukunft eine wichtige Anwendung.
Wissens-Zwinker: Verbessertes Methanol/Wasser Konzentrationsmodell für Brennstoffzellen
Wissens-Zwinker: Verbessertes Methanol/Wasser Konzentrationsmodell für Brennstoffzellen
Warum dieser Test?
Die Methanol-Brennstoffzelle ist eine wichtige Technologie für die Energiewende. Obwohl die heutige Methanol Produktion noch stark von fossilen Quellen abhängt, werden erneuerbare Rohstoffe wie Biogas, Klärschlamm oder sogar atmosphärisches CO2 immer wichtiger. Eine Brennstoffzelle wie z.B. die direct methanol fuel cell (DMFC) erzeugt aus diesem Methanol dann Strom analog zu einem klassischen Generator. Wichtig für das effiziente und sichere betreiben solcher Brennstoffzellen ist das Einspeisen eines Methanol / Wasser Gemisches mit konstanter Konzentration – dabei hängt die optimale Konzentration vom Typ der Brennstoffzelle ab. Erschwert wird die Prozesskontrolle durch die unvollständige Umsetzung des Methanols. Ein variierender Anteil des Gemischs tritt unverbraucht wieder aus der Brennstoffzelle aus und soll kontinuierlich rezykliert werden. Abbildung 1 zeigt den Prozess dazu schematisch:
Abbildung 1: Schema einer Direktmethanolbrennstoffzelle mit diversen möglichen Messpunkten.
Das Bereitstellen eines kontrollierten Gemisches aus dem Rezyklat und einer Methanol-Stammlösung stellt entsprechend eine Herausforderung dar. Genau hier kommt die Konzentrationsmessung mittels Dichtesensor DLO-M2 ins Spiel (oranger Messpunkt 2 in Abbildung 1).
Was ist ein Wissens-Zwinker?
Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen. Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.
Ergebnisse
Bestehenden Daten zu wässrigen Methanol Lösungen wurden mit eigenen Messungen mit einem DSA 5000 M Labor-Dichtmessgerät (Anton Paar) kombiniert. Die eigenen Messungen umfassten hierbei vor allem typische Betriebsbedingungen von Brennstoffzellen wie Konzentrationen <10% bei Temperaturen >40°C.
Die gesammelten Daten wurden in ein Konzentrationsmodell für unseren Dichtesensor DLO-M2 verarbeitet. Als Resultat kann dieser nun aus dem Dichtemesswert direkt die Methanol-Konzentration einer Lösung mit einer Genauigkeit von ±0.2%w/w berechnen und ausgeben:
Abbildung 2: Genauigkeitsbetrachtung des neuen Konzentrationsmodells Methanol in Wasser nach %w/w
Natürlich ist neben der Modellgenauigkeit auch die Messgenauigkeit des Sensors ausschlaggebend. Im Falle des VLO-M2 beträgt diese ca. ±0.2 kg/m3 für die betrachteten Gemische (Der DLO-M2 erreicht nach Abgleich eine vergleichbare Performance). Für den gesamten Konzentrationsbereich und eine Beispiel-Temperatur von 25°C zeigt sich somit folgendes Bild:
Abbildung 3: Gesamtgenauigkeit der Messung unter Einbezug der Messgenauigkeit des Dichtesensors DLO-M2
Im kompletten Messbereich von 0-100%w/w bleibt die Gesamtgenauigkeit sehr gut und bewegt sich um ±0.3 %w/w (grau schattiert in Abbildung 3). Dank der hervorragenden Messgenauigkeit der TrueDyne MEMS-Sensorik beeinflusst der Fehler durch die Dichtemessung den Gesamtfehler in diesem Fall sogar weniger als die reine Modellgenauigkeit (dargestellt durch die orange Linie auf ± 0.2%w/w).
Welche Sensoren wurden verwendet?
Dichtesensor DLO-M2
- Klicken Sie hier um mehr über unseren Sensor zu erfahren.
Viskositätssensor VLO-M2
- Klicken Sie hier um mehr über unseren Sensor zu erfahren.
Fazit
Ein neues, wesentlich genaueres Methanol/Wasser Konzentrationsmodell wurde in der DML Produktfamilie (DLO-M2 / VLO-M2) integriert. Hintergrund für dieses Update ist der zunehmende Einsatz von Methanol als Energieträger zum Beispiel zur Stromversorgung via Brennstoffzellen. Das Modell ermöglicht im Zusammenspiel mit der hochpräzisen Dichtemessung unserer Sensorik eine Echtzeit-Konzentrationsüberwachung des Methanol/Wasser Gemisches und somit einen effizienten und sicheren Betrieb der Brennstoffzelle. Dadurch können ein optimaler Wirkungsgrad bei maximaler Lebensdauer der Brennstoffzelle erreicht werden.
Sensoren die Sie interessieren könnten
Gase
Viskosität
Applikationen die Sie interessieren könnten
Überwachung von Treibstoffkonzentrationen
Vom Volumen (l)
zur Masse (kg)
zur Masse (kg)
Überwachung von Schweissgasgemischen
Überwachung von Gasgemischen für Lebensmittelverpackungen
Weitere Wissens-Zwinker die Sie interessieren könnten
Wissens-Zwinker: Verbessertes Methanol/Wasser Konzentrationsmodell für Brennstoffzellen
mehr lesen
Wissens-Zwinker: Smarter Massendurchflussregler
Entdecken Sie die Zukunft der präzisen Gasdurchflussregelung mit dem innovativen Smart Mass Flow Controller von TrueDyne Sensors AG. In Zusammenarbeit mit IST AG haben wir ein wegweisendes Gerät entwickelt, das in der Lage ist Dichte, Temperatur, Druck und Massendurchfluss zu messen – und das alles in einem Sensor. Dieser auf Flexibilität und Genauigkeit ausgelegte Regler passt sich automatisch an verschiedene Reingase und binäre Gasgemische an und gewährleistet eine optimale Performance. Erfahren Sie mehr über diese bahnbrechende Lösung bei TrueDyne Sensors AG.
Wissens-Zwinker: Überwachung des Biergärprozesses über Dichte und CO2 Bildung
Dichte und CO2-Bildung wurden im laufenden Vergärungsprozess gemessen. Die Messungen der Stammwürze, des Vergärungsgrads und des Alkoholgehalts stimmen sehr gut mit den Erwartungen und Verifikationsmessungen mit Laborgeräten überein. Die vorgestellte Lösung ermöglicht eine automatisierbare, kontinuierliche Überwachung des Prozesses sowie die…
Wissens-Zwinker: Messung der Wasserstoffperoxid Konzentration in Wasser mit <0.025% Messunsicherheit
Dichtemessungen von Wasserstoffperoxid in Wasser mit dem VLO-M2 stimmten auf <0.05 kg/m3 genau mit Kontrollmessungen von einem Laboranalysegerät überein. Die gemessenen Abweichungen entsprechen einer Messunsicherheit von <0.025% (250ppm) für die Konzentrationsbestimmung.
Beitrag: Inline-Messungen der physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften von Einkomponenten- und Mehrkomponentenflüssigkeiten
Mikrofluidische Geräte gewinnen in verschiedenen Bereichen der Pharmazie, der Strömungschemie und des Gesundheitswesens zunehmend an Bedeutung. In den eingebetteten Mikrokanälen spielen die Durchflussraten, die dynamische Viskosität der transportierten Flüssigkeiten und die fluiddynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Verschiedene funktionelle Hilfskomponenten von mikrofluidischen Geräten wie Durchflussbegrenzer, Ventile und Durchflussmesser müssen mit Flüssigkeiten charakterisiert werden, die in verschiedenen mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden.
Wissens-Zwinker: Thermische Durchflussmessung und -korrektur mittels Gaserkennung
Strömungssensoren, welche auf dem kalorimetrischen Messprinzip basieren, müssen typischerweise auf ein bestimmtes Medium justiert werden. Dieser Wissens-Zwinker zeigt auf, dass eine Echtzeit-Dichtemessung zur Korrektur des gemessenen Strömungswerts bei Reingasen sowie binären Gasgemischen sehr gut geeignet ist.
