GASANALYSE AN Brennstoffzellen
HINTERGRUND
Brennstoffzellen wie z.B. die Polymer Elektrolyt Brennstoffzelle (PEFC), die in Kraftfahrzeugen und in der Wasserstofftechnologie eingesetzt werden, stellen einen Meilenstein für das potentiell nachhaltige Energiesystem der Zukunft dar. Derzeitige Forschungen auf dem Gebiet der Brennstoffzellenentwicklung konzentrieren sich um die Problemkreise Effizienzverbesserung, Zuverlässigkeit und Kostensenkung. Ein Problem, das es noch zu lösen gilt, stellt die Verunreinigung und „Vergiftung“ der Brennstoffzelle dar, entweder durch das brennbare Gas (von außen) oder durch Materialien aus der die Zelle selbst besteht. Zusätzlich werden Methoden zur umfassenden Datensammlung für die Analyse und die Optimierung des gesamten Energieerzeugungsprozesses als auch der Emissionsbelastung benötigt.
LÖSUNG
Das CombiSense Dual Massenspektrometer bietet die Flexibilität, um äußerst unterschiedliche Gasgemische innerhalb des gesamten Prozessflusses von Brennstoffzellen zu analysieren und schnell zu bestimmen. Das patentierte Ionen Molekül Reaktion Technologie Massenspektrometer (IMR-MS) ermöglicht die Spurenanalyse von Gasen in ppm oder ppb Levels. Außerdem können Gase mit Hilfe des eingebauten Elektronenstossmassenspektrometer (EI-MS) gemessen werden, die in Volumensprozent vorliegen. Durch die gleichzeitige Bestimmung von H2, O2 und H2O, können mit der CombiSense Effizienzstudien durchgeführt werden. Über die Bestimmung von CO, CO2 und anderen Indikatoren kann die Funktionalität der Brennstoffzelle auf Fehler und Alterung, wie z.B. organischen Schwefel und Stickstoffverbindungen, geprüft werden.
Die
CombiSense ist auch gut für die Entwicklung und Prüfung von H2 Reformertechnologien geeignet, um Wasserstoff aus verschiedenen Kraftstoffen, z.B. Methan, zu erzeugen. Die Massenspektrometer können mit einer Vielzahl von Schnittstellen ausgerüstet werden, um eine gute Einbindung in Automatisierungssysteme zu gewährleisten, z.B. über Kommunikation mittels AK Protokoll.
VORTEIL
Bei einigen Messtechnologien stellt die Gasmatrix der Brennstoffzellen Gasanalyse ein unüberwindliches Problem dar. Diese Effekte werden durch den hohen Wassergehalt und hohe Konzentrationen von H2 ausgelöst, welche entweder im Kraftstoffgas oder im Abgas vorhanden sind. Diese können den Gastransport, die Schaltventile und Dichtungen blockieren. Massenspektrometer könne diese Effekte unterdrücken, indem sie ein großes Vakuum und eine Untergrund-Korrekturfunktion nutzen. Die CombiSense bietet eine enorme Flexibilität hinsichtlich der zu bestimmenden Moleküle und deren Konzentrationen. Damit können kontinuierliche Messungen des Kraftstoffgases, die Bestimmung von potentiellen Verunreinigungen und die frühe Erkennung von Fehlern durchgeführt werden. Sie ist daher ein ideales Werkzeug für den Forschungs- und Produktionsbereich in der Brennstoffzellentechnologie.
HIGHLIGHTS
Überwachung des gesamten Prozessflusses von Brennstoffzellen
Überblick über die gesamte Gaszusammensetzung in der Gaszufuhr und im Abgas
Hohe Empfindlichkeit und hohe Selektivität
GEEIGNETE GERÄTE
H2 MESSUNGen BEI VERBRENNUNGSMOTOREN
HINTERGRUND
Wasserstoff ist die wichtigste Komponente bei katalytischen Reduktionsreaktionen und entsteht entweder während des fetten Betriebs in normal belüfteten Motoren oder während der Nacheinspritzphase in Common-Rail Motoren. Bei genügend hohen Zylindertemperaturen löst die Dissoziierung von Kraftstoffmolekülen in Radikale eine rasche Wiederverbindung von Protonen in H2 aus. Dieser Prozess kann eine Ausbeute zwischen 0,6% und 2Vol% H2 liefern. Die katalytische NOx Reduktion in Dieselmotoren basiert auf der Reaktion von Wassserstoff mit NOx. Um solche Technologien zu entwickeln und zu verbessern, bedarf es genauer und zeitaufgelöster Messungen von Wasserstoff.
VORTEIL
Das HSense Massenspektrometer ist derzeit das einzige Gerät am Markt, das Wasserstoff im Verbrennungsmotor von 0-100 % in Echtzeit messen kann. Im Gegensatz zu anderen Technologien, die auf den Prinzipien von elektrochemischer und thermischer Leitfähigkeit basieren, ist die HSense frei von Querempfindlichkeiten von anderen Komponenten, die im Motorabgas vorhanden sind. Die Installation und Einrichtung der HSense ist innerhalb von 60 Minuten abgeschlossen.
LÖSUNG
Die HSense kann Wasserstoff im Abgas des Verbrennungsmotors in Echtzeit messen. Der Kern dieses schnellen und zuverlässigen Geräts ist ein magnetisches Sektorfeld Massenspektrometer, das Wasserstoffmessungen in Konzentrationen von unter 1ppm bis zu 100 Vol% erlaubt. Eine eingebauter Gaskühler verhindert jegliche Querinterferenzen, die durch H2O in der Motorabluft verursacht werden könnten. Eine automatische Druckregulierung von 0,5 bis 3 bar, unsere benutzerfreundliche Software zusammen mit der Robustheit des System als Ganzes machen die HSense zu einem äußerst wertvollen Werkzeug für Techniker im Automobilbereich. Wie bei allen anderen Instrumenten garantiert eine Vielzahl von Schnittstellenoptionen wie z.B. das AK Protokoll eine leichte Integration in eine Prüfstandsumgebung.
HIGHLIGHTS
Sektorfeld Technologie
Echtzeit H2 Messungen
AK Protokoll
ONLINE ÖLVERBRAUCHSMESSUNG
HINTERGRUND
In der modernen Motorenentwicklung stellt der Verlust von Motoröl ein schwerwiegendes Problem dar. Die Verkleinerung der Motoren zusammen mit Turboladen und/oder die Verringerung der Kolbenringdicke führt in Kombination mit erhöhtem Zylinderdruck zu Motorölverlust. Im Motoröl sind ungefähr 2000 – 3000 ppm Schwefel enthalten, das bei der Verbrennung oxidiert wird, wodurch Schwefeldioxid entsteht. Dies kann zu einer verminderten Katalysatoraktivität führen.
Außerdem beeinträchtigen andere Ölnebenprodukte wie Phosphor die Sensoreigenschaften, was wiederum zu fehlerhaftem Motorbetrieb und Katalysatorfunktion führt. Um den Ölverlust minimieren zu können, muss man wissen, in welchem Motorstatus er auftritt. Gravimetrische Methoden können Informationen über statische Motorbetriebszustände liefern, aber für dynamischen Motorbetrieb sind Echtzeitmessungen nötig, um Zeit aufgelöste Ölverbrauchsprofile zu erhalten.
LÖSUNG
Im Rohabgas von Verbrennungsmotoren gemessenes Schwefeldioxid kann als ein Indikator für Ölverbrauch verwendet werden. Bei bekannten Schwefelkonzentrationen des Kraftstoffs und des Schmieröls kann die Ölverbrauchsrate in g/h (Gramm pro Stunde) aus der Konzentration von Schwefeldioxid im Abgas berechnet werden. Der GasOxidizer wird eingesetzt, um alle anderen möglichen Schwefelkomponenten einschließlich des an Partikel gebundenen Schwefels in reines Schwefeldioxid umzuwandeln.
Die hochempfindlichen Massenspektrometer können mit ihrer IMR-MS Technologie SO2 Konzentrationen mit Nachweisgrenzen unter bis 10 ppb messen. Typischerweise verbrauchen moderne Motoren 2 bis 3 Gramm Öl pro Stunden, was SO2 Signale von 0.2 bis 0.7 ppm SO2 im Rohabgas ergeben, wenn Öle mit hohem Schwefelgehalt (>5000 ppm S) eingesetzt werden.
VORTEIL
Die Anwendung der SO2 Tracermethode mit unserer LubeSense liefert Echtzeitdaten und ermöglicht dadurch dem Techniker, genaueste Ölverbrauchsprofile zu erstellen. Im Vergleich dazu erstellen Offline Methoden wie z.B. Gravimetrie im Allgemeinen nur zwei Datenpunkte, vor und nach dem Test. Außerdem sind sie zeitaufwändig und bergen erhebliche Fehlerquellen.
Im Gegensatz zu radioaktiven Tracermethoden ist das Setup und die Handhabung unserer Messgeräte völlig sicher im Hinblick auf Arbeitssicherheit. Der GasOxidizer erleichtert die Umwandlung vom gesamten vorhandenen Schwefel im Abgasstrom sowohl als Gasverbindung oder als Partikel. Daher ist eine Ölverbrauchsmessung an Motoren mit unterschiedlichen Kraftstoffen wie Benzin, komprimiertem Erdgas und Diesel möglich. Sofort nach Installation der Messgeräte, können die gewünschten Testzyklen gefahren werden, ohne dass man dazu Zutritt zum Motorprüfstand benötigt.
HIGHLIGHTS
Echtzeit Ölverbrauchsmessung
Zeitersparnis – Einfache Installation
Für Motoren mit Wasserstoff, Diesel, Benzin und Erdgas
HINTERGRUND
Als Ergebnis der Energierichtlinie 2009/28/EC „erneuerbare Energie“ sind die EU Mitgliedsstaaten verpflichtet, den Anteil von erneuerbaren Energie beim Gesamtenergieverbrauch bis 2020 auf durchschnittlich 20 % zu erhöhen. Das hat direkten Einfluss auf die Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen.
Die Verdünnung des Motoröls durch Ethanol haltige Kraftstoffe wie beispielsweise Super E10 oder durch Dieselkraftstoffe mit Biodiesel können die Gleiteigenschaften erheblich verändern und dadurch den Motor schädigen. Weil Ethanol eine höhere Verdampfungs-enthalpie und einen niedrigeren Dampfdruck hat, neigen Kraftstoffe mit höheren Ethanolgehalten dazu, im Vergleich zu herkömmlichem Benzin ungünstige Mischungen während des Kaltstarts und der Aufwärmphase des Motors zu erzeugen. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit eines Benzineintritts ins Öl bei diesen Motorzuständen.
Für Dieselmotoren sind die Zustände nach Einspritzung, die die Regeneration von DPF (Dieselpartikelfilter) auslösen, von besonderem Interesse. Obwohl die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Biodiesel- und Dieselkomponenten ähnlich sind, neigen Biodieselkraftstoffe eher dazu, das Motoröl während der DPF Regeneration zu verdünnen.
Andere Aspekte der heutigen Entwicklung von Verbrennungsmotoren wie z.B. die Anwendung neuer Verbrennungsmethoden und Katalysatorheizung erleichtern ebenfalls die Ölverdünnung – sogar beim Einsatz von Normalbenzin. Um Strategien zu finden, die der Verdünnung von Motorölen entgegenwirken oder sie zu optimieren, muss man die Mechanismen des Ein- und Austritts von Kraftstoffen ins Motoröl von Grund auf verstehen. Daher bedarf es einer Messausrüstung, die den Anteil von Kraftstoff in Motoröl bestimmt und vorzugsweise Ergebnisse in Echtzeit liefert.
VORTEIL
Im Gegensatz zu konventionellen offline Methoden liefern die
FuelSense und der
LubeSampler Echtzeitergebnisse. Zeitprofile der Ölverdünnungsmechanismen für feste und dynamische Motortestzyklen werden erzeugt und ermöglichen dem Techniker, Strategien für die Minimierung der Verdünnung von Motoröl durch Treibstoffe zu entwickeln.
Das
FuelSense Massenspektrometer mit seiner IMR Technologie kann – im Gegensatz zur FID Bestimmung eines Signals aus einer Summe von Kohlenwasserstoffen – selektiv die Komponenten bestimmen, die aus dem Öl desorbieren. Dadurch können nicht nur eingehende Untersuchungen der Zeitprofile, sondern auch der mit dem Ölverdünnungsprozess verbundenen Chemie gemacht werden.
HIGHLIGHTS
- Echtzeit Ölverdünnungs Messungen
- Für Diesel- und Benzinmotoren
- Direkte Probennahme
LÖSUNG
Das Online Messsystem für die Ölverdünnung, besteht aus
FuelSense und
LubeSampler gibt Automobiltechnikern die Möglichkeit kontinuierlich zu messen. Der LubeSampler besteht aus einem abgetrennten Ölkreislauf, der mit der Ölwanne des Motors verbunden ist. Eine zirkulierende Pumpe sorgt für eine gute Mischung des Öls. Eine kleine Probe wird mit einer Dosierpumpe gezogen, die auf 1.0ml/min. eingestellt ist. Über ein Dosierventil wird die Probe gemeinsam mit einem Trägergas in den Thermodesorber eingeführt, wo das Öl von seinen charakteristischen flüchtigen Komponenten getrennt wird, die von der Verdünnung des Öls durch Treibstoffe herrühren. Dese flüchtigen Komponenten hängen davon ab, welcher Treibstoff eingesetzt wird. Es sind Ethanol bei Ethanol haltigen Kraftstoffen, Benzol, Toluol und Xylol bei Benzin oder Kohlenwasserstoffe wie z.B. C4H10 bei Diesel B7.
Die
FuelSense mit der patentierten IMR Technologie (Ionen-Molekül Reaktion) kann alle diese Komponenten bis zu einem niederen ppb Level bestimmen, um Nachweisgrenzen der Ölverdünnung unter 0,1 % Treibstoff in Öl zu erreichen. Für die Kalibrierung des Systems werden Gemische mit bekannten Gehalten von Treibstoff in Öl vorbereitet, und mittels thermischer Desorption werden die Signale der Markerkomponenten wie z.B. Ethanol quantifiziert. So können Signale aus der Probe mit unbekannten Konzentrationen von Treibstoff in Öl in Korrelation gesetzt werden.
NH3 UND NOX MESSUNGEN IM MOTORENABGAS
HINTERGRUND
NO ist neben Schwefel einer der unerwünschtesten Stoffe in der Abgasnachbehandlung. Es entsteht durch die Aufspaltungen von N2 im Zylinder und Reaktion mit O2 bei hohen Zylindertemperaturen. Die Unterdrückung der NOx Bildung ist ebenso wie die Reduktion in der Abgasnachbehandlung die Hauptaufgaben von Motor- und Katalysatorentwicklern. Welche Strategie auch immer, z.B. Niedertemperaturverbrennung, Abgasrückführung (AGR), Nacheinspritzung zur Bildung von genügend KW für die katalytische Reduktion oder SKR Technologie mit Zersetzung von Harnstoff in Ammoniummoleküle, diese hoch dynamischen und stark temperaturabhängigen Reaktionen erfordern die schnelle Messung einer Vielzahl von Komponenten für die Optimierung unter flüchtigen Bedingungen.
VORTEIL
DeNOx Konzepte für Straßenfahrzeuge erfordern eine komplexere Strategie als die Kontrolle von Kohlenwasserstoff (KW) und CO Emissionen. KW und CO Bildung steht in direktem Zusammenhang zum Verhältnis Luft-Brennstoff, das klar bestimmt wird durch Kraftstoffeinlass, Luftvolumen und Lambdawert. Die NO Bildung steht im Zusammenhang zum Verhältnis Luft-Brennstoff, Flammtemperatur und Zylinderdruck. FTIR Geräte sind in ihren Gasansprechzeiten und niederen Bestimmungslevels begrenzt, vor allem bei Anwendungen in verdünnten Gasen (CVS = kontinuierliche Volumensproben). Die IMR Technologie erlaubt Messgeschwindigkeiten von bis zu 10 Hz und Bestimmungsgrenzen im niederen ppb Bereich. Das robuste und kompakte Design der Geräte in Kombination mit niederem Wartungsaufwand ergibt ein ausgezeichnetes Werkzeug für anspruchsvollere Anwendungen im Bereich der Abgasmessungen.
HIGHLIGHTS
LÖSUNG
Die patentierte IMR Technologie (Ionen Molekül Reaktion) kann alle bedeutenden Stickstoffkomponenten, d.h. NO, NO2, NH3 etc. mit der erforderlichen Messgeschwindigkeit bestimmen. Außerdem können andere relevante Moleküle für die Bestimmung des DeNOx Prozesses auf Stickstofffallen wie z.B. O2 gemessen werden. Die CombiSense erleichtert ebenfalls die Bestimmung von N2O auf niederen ppm-Levels. Eine Einlass-Druckregulierung (0 bis 5 bar), Partikelfilter und eine beheizte Transferkapillare sind zusätzliche Features, die erforderlich sind, um Abgasemissionen zu messen. Eine Vielzahl von Schnittstellenoptionen wie z.B. das AK Protokoll garantieren eine leichte Einbindung in eine Prüfstandsumgebung.
Abbildung:
Durchbruchsmessungen von SCR Katalysatoren
Abbildung:
DeNOx im mageren und fetten Motorbetrieb
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