燃料電池の濃度交流周波数応答解析ガイド
Summary
燃料電池の濃度交互周波数応答解析のためのプロトコルを提示し、燃料電池ダイナミクスを研究する有望な新しい方法である。
Abstract
酸素の周期的な濃度入力摂動を発生させることができる実験的セットアップを用い、プロトン交換膜(PEM)燃料電池に対して濃度交互周波数応答解析(cFRA)を行った。cFRA実験中に、変調濃度供給物を異なる周波数で細胞の陰極に送った。電気応答は、セルに印加される制御に応じてセル電位または電流となり得るが、周波数応答伝達関数を定式化するために登録された。従来の電気化学インピーダンス分光法(EIS)とは異なり、新しいcFRA方法論により、異なる質量輸送現象の寄与を周波数応答スペクトルの運動電荷移動過程から分離することが可能です。セルをクリックします。さらに、cFRAはカソードの様々な加湿状態を区別することができる。このプロトコルでは、cFRA実験を行う手順の詳細な説明に焦点を当てています。測定の最も重要なステップと技術の将来の改善について説明します。
Introduction
PEM燃料電池の動的挙動を特徴付することは、セルの性能を低下させる一過性の動作状態を支配するメカニズムを理解するために重要です。電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、PEM燃料電池ダイナミクスを研究するために最も一般的に使用される方法論であり、全体的な動的性能1、2に対する異なるプロセス寄与を分離する能力に起因する。ただし、同様の時間定数を持つ一時的なプロセスは、多くの場合、EIS スペクトル内で結合されるため、解釈が困難になります。このため、過去に非電気的入力の適用に基づく過渡診断ツールは、少数または個々のダイナミクスの影響を検出することを目的として開発され、3、4、5、6、7を提案した。
濃度摂動入力と濃度交互周波数応答解析(cFRA)と呼ばれた電気出力に基づく新規な周波数応答技術が我々のグループで開発された。選択的診断ツールとしてのcFRAの可能性は、理論的および実験的に6、7で検討されている。cFRAは、異なる種類の大量輸送現象を分離し、細胞の動作状態の異なる間で区別することができることがわかりました。このプロトコルでは、cFRA実験を実行する手順のステップバイステップの説明に焦点を当てます。細胞の組み立て、そのコンディショニング、および周期的な濃度摂動を伴うフィードを作成するための実験的なセットアップ、ならびにデータ分析を詳細に示し、議論する。最後に、手順の最も重要なポイントが強調表示され、cFRAスペクトルの品質と選択性を向上させるためのいくつかの戦略が特定されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
古典的なEISとは対照的に、cFRAは燃料電池で起こる異なる大量輸送現象に関連するダイナミクスの特性に焦点を当てた診断ツールである。例えば二重層6の充放電のように、電極内の酸素拡散以下の時間定数を有する過渡現象を検出することができない。したがって、いくつかの現象が結合されている EIS とは異なり、cFRA は特定のダイナミクスに関連するパターンをより明確?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この記事の公開コストを満たすのに役立つ、複雑な技術システムのダイナミクスのためのマックスプランク研究所。
Materials
| Membrane Electrode Assemby N115 25,8 cm2 | QuinTech | EC-NM-115 | cathode/anode loding: 1mg Pt/cm2 |
| Potentiostat | Metrhohm | PGSTAT302N | |
| Booster | Metrohm | BOOSTER20A | |
| Retractable fiber oxygen sensor | Pyro Science | OXR430-UHS | |
| Dew Point and Temperature Meter | VAISALA | DMT340 | |
| Software process control system | Siemens | Simatic PCS 7 | |
| Software MATLAB2012a | Mathworks | ||
| Hydrogen | Linde | Hydrogen 6.0 | |
| Nitrogen | Linde | Nitrogen 5.0 | |
| Oxygen | Linde | Oxygen 5.0 |
Referenzen
- Yuan, X., Wang, H., Sun, J. C., Zhang, J. AC impedance technique in PEM fuel cell diagnosis – a review. International Journal of Hydrogen Energy. 32 (7), 4365-4380 (2007).
- Niya, S. M. R., Hoorfar, M. Study of proton exchange membrane fuel cells using electrochemical impedance spectroscopy technique – a review. Journal of Power Sources. 240 (8), 281-293 (2013).
- Niroumand, A. M., Merida, W., Eikerling, M., Safi, M. Pressure voltage oscillations as diagnostic tool for PEFC cathode. Electrochemistry Communications. 12 (1), 122-124 (2010).
- Engebretsen, E., et al. Electro-thermal impedance spectroscopy applied to an open-cathode polymer electrolyte fuel cell. Journal of Power Sources. 302, 210-214 (2014).
- Engebretsen, E., Mason, T. J., Shearing, P. R., Hinds, G., Brett, D. J. L. Electrochemical pressure impedance spectroscopy applied to the study of polymer electrolyte fuel cells. Electrochemistry Communications. 75, 60-63 (2016).
- Sorrentino, A., Vidaković-Koch, T., Hanke-Rauschenbach, R., Sundmacher, K. Concentration frequency response analysis: A new method for studying polymer electrolyte membrane fuel cell dynamics. Electrochimica Acta. 243, 53-64 (2017).
- Sorrentino, A., Vidaković-Koch, T., Sundmacher, K. Studying mass transport dynamics in polymer electrolyte membrane fuel cells using concentration-alternating frequency response analysis. Journal of Power Sources. 412, 331-335 (2019).
- Pivac, I., Barbir, F. Inductive phenomena at low frequencies in impedance spectra of proton exchange membrane fuel cells-A review. Journal of Power Sources. 326, 112-119 (2016).
- Benziger, J., Chia, J. E., Kimbal, E., Kevrekidis, I. G. Reaction Dynamics in a Parallel Flow Channel PEM Fuel Cell. Journal of Electrochemical Society. 154, B835-B844 (2007).
- Rannow, M. B. Achieving Efficient Control of Hydraulic Systems Using On/Off Valves. Doctoral Dissertation. , (2016).
