Wasserstoff
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A systematic, nature-inspired chemical engineering approach is employed to solve the issue of flooding in electrochemical devices. The mechanism of passive water transport utilized by lizards living in arid environments is leveraged to design flow-fields with a microchannel structure on their surface, through which capillary pressure rapidly removes the water generated in the electrochemical device. This water management strategy is implemented in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) with a lunginspired flow-field, which ensures uniform distribution of reactants across the catalyst layer. Jointly, this nature-inspired approach results in flood-free, stable operation at 100% RH and a B60% increase in current (B1.9 A cm-2) and peak power density (B650 mW cm−2) compared to current PEMFCs with a flood-prone, serpentine flow-field (B0.8 A cm-2 and 280 mW cm-2, respectively). This significant advance allows for PEMFC operation at fully humidified conditions.
Distributed fiber optic sensors for structural health monitoring of composite pressure vessels
(2024)
In diesem Beitrag geben wir einen umfassenden Überblick über unsere Forschung auf dem Gebiet der verteilten faseroptischen Sensorik für die strukturelle Zustandsüberwachung von Wasserstoffdruckbehältern aus Verbundwerkstoffen. Insbesondere zeigen wir, wie die Integration von faseroptischen Sensoren in Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen die Sicherheit erhöht und gleichzeitig die Wartungskosten senkt. Die geringe Größe von Lichtwellenleitern ermöglicht ihre Integration in Verbundwerkstoffstrukturen während des Herstellungsprozesses, wodurch eine kontinuierliche Überwachung sowie eine präzise Erkennung und Lokalisierung von Strukturschäden während des Betriebs der Druckbehälter ermöglicht wird. Wir erörtern auch das Potenzial modernster Signalverarbeitungsmethoden und des maschinellen Lernens für die Weiterentwicklung der vorausschauenden Instandhaltung. Die von uns vorgestellten Anwendungen von faseroptischen Sensoren zeigen, dass sie einen wichtigen Beitrag zur Energiewende hin zu erneuerbaren Energien leisten können.
The deployment of machine learning (ML) and deep learning (DL) in structural health monitoring (SHM) faces multiple challenges. Foremost among these is the insufficient availability of extensive high-quality data sets essential for robust training. Within SHM, high-quality data is defined by its accuracy, relevance, and fidelity in representing real-world structural scenarios (pristine as well as damaged). Although methods like data augmentation and creating synthetic data can add to datasets, they frequently sacrifice the authenticity and true representation of the data. Sharing real-world data encapsulating true structural and anomalous scenarios offers promise. However, entities are often reluctant to share raw data, given the potential extraction of sensitive information, leading to trust issues among collaborating entities.
Our study introduces a novel methodology leveraging Federated Learning (FL) to navigate these challenges. Within the FL framework, models are trained in a decentralized manner across different entities, preserving data privacy. In our research, we simulated several scenarios and compared them to traditional local training methods. Employing guided wave (GW) datasets, we distributed the data among different parties (clients) using IID (independent, identically distributed or in other words, statistically identical) mini batches of dataset, as well as non-IID configurations. This approach mirrors real-world data distribution among varied entities, such as hydrogen refueling stations.
In our methodology, the initial round involves individualized training for each client using their unique datasets . Subsequently, the model parameters are sent to the FL server, where they are averaged to construct a global model. In the second round, this global model is disseminated back to the clients to aid in predictive tasks. This iterative process continues for several rounds to reach convergence.
Our findings distinctly highlight the advantages of FL over localized training, evidenced by a marked improvement in prediction accuracy . This research underscores the potential of FL in GW-based SHM, offering a remedy to similar challenges tied to data scarcity in other SHM approaches and paving the way for a new era of collaborative, data-centric monitoring systems.
Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere im Bereich der Gasdetektion mit einem Schwerpunkt auf Wasserstoff, spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungsbereichen der Wasserstofftechnologie. Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle gehören zu den prominenten Anwendungsgebieten dieser Sensortechnologien. Ein zentrales Ziel ist die Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die genaue Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und angemessene Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Analytik und der Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien in Verbindung mit Metrologie für die Wasserstoffspeicherung. Dies gewährleistet eine präzise und zuverlässige Charakterisierung von Wasserstoff und unterstützt die Entwicklung sicherer Speichertechnologien. Im Rahmen des Euramet-Vorhabens Metrology for Advanced Hydrogen Storage Solutions (MefHySto) wird eine Kurzvorstellung präsentiert.
Der Vortrag stellt zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren zum strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für Wasserstofftechnologien vor. Insbesondere die Fehlstellenerkennung mittels geführter Ultraschallwellen spielt eine bedeutende Rolle bei der Lebensdauerüberwachung von Wasserstoffspeichern. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern. Diese zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen eine präzise und frühzeitige Identifizierung von Schäden, was die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffspeichersystemen entscheidend verbessert.
The success of this energy transition and the efficient utilization of green hydrogen as a pristine energy carrier hinge upon the cultivation of hydrogen readiness, swift market expansion, and the establishment of crucial value chains within national and European contexts. Paramount to these objectives are reliable quality and safety standards, essential for ensuring supply safety, environmental compatibility, and instilling confidence in these technologies.
In the realm of safety management systems, gas sensors emerge as vital components for detecting hydrogen. This presentation delves into the imperative role of hydrogen systems, emphasizing their capability to monitor and control operations, issue warnings, signal hazardous conditions, and sound alarms. It explores the intricate landscape of functional safety considerations and addresses the challenges associated with measurement uncertainty in sensor testing.
A diverse array of sensors catering to hydrogen, pressure, temperature, and flow are available, each contributing significantly to the safety and efficiency of hydrogen technologies. Applications are envisaged to adhere meticulously to quality infrastructural regulations, codes, and standards, ensuring seamless integration and operation within the broader hydrogen ecosystem.
This discussion underscores the ubiquitous presence of sensor systems across various fields within hydrogen technologies, illustrating their multifaceted contributions to safety, reliability, and overall success in realizing the transformative potential of green hydrogen.
The success of this energy transition and the efficient utilization of green hydrogen as a pristine energy carrier hinge upon the cultivation of hydrogen readiness, swift market expansion, and the establishment of crucial value chains within national and European contexts. Paramount to these objectives are reliable quality and safety standards, essential for ensuring supply safety, environmental compatibility, and instilling confidence in these technologies.
In the realm of safety management systems, gas sensors emerge as vital components for detecting hydrogen. This presentation delves into the imperative role of hydrogen systems, emphasizing their capability to monitor and control operations, issue warnings, signal hazardous conditions, and sound alarms. It explores the intricate landscape of functional safety considerations and addresses the challenges associated with measurement uncertainty in sensor testing.
A diverse array of sensors catering to hydrogen, pressure, temperature, and flow are available, each contributing significantly to the safety and efficiency of hydrogen technologies. Applications are envisaged to adhere meticulously to quality infrastructural regulations, codes, and standards, ensuring seamless integration and operation within the broader hydrogen ecosystem.
This discussion underscores the ubiquitous presence of sensor systems across various fields within hydrogen technologies, illustrating their multifaceted contributions to safety, reliability, and overall success in realizing the transformative potential of green hydrogen.
Um den Aspekt der Strategie zur Fehlervermeidung und Schadenprävention in Wasserstofftechnologien zu integrieren, ist es entscheidend, proaktiv auf potenzielle Schwachstellen in den Systemen und Prozessen zu achten. Dies beinhaltet die Implementierung von präventiven Maßnahmen als Elemente des Sicherheitsmanagements, um mögliche Fehlerquellen zu identifizieren und zu eliminieren. Darüber hinaus sollten Schulungen gezielt auf die Vermeidung von Fehlern und die sichere Anwendung von Wasserstofftechnologien ausgerichtet sein. Eine durchdachte Strategie zur Fehlervermeidung trägt wesentlich dazu bei, Unfälle zu verhindern und die Gesamtsicherheit bei der Nutzung von Wasserstoff zu erhöhen.