Een gids voor de concentratie alternerende frequentierespons analyse van brandstofcellen
Summary
We presenteren een protocol voor de concentratie-alternerende frequentierespons analyse van brandstofcellen, een veelbelovende nieuwe methode voor het bestuderen van brandstofcel dynamica.
Abstract
Er werd een experimentele opstelling gebruikt voor het genereren van een periodieke concentratie-input perturbatie van zuurstof, om de concentratie-alternerende frequentieresponsanalyse (cFRA) uit te voeren op de brandstofcellen van Proton-uitwisselings membraan (PEM). Tijdens cFRA-experimenten werd de gemoduleerde concentratie voeding op verschillende frequenties naar de kathode van de cel gezonden. De elektrische respons, die een celpotentiaal of stroom kan zijn afhankelijk van de controle die op de cel wordt toegepast, is geregistreerd om een overdrachtsfunctie voor frequentierespons te formuleren. In tegenstelling tot traditionele elektrochemische impedantie spectroscopie (EIS) maakt de novel cFRA-methodologie het mogelijk om de bijdrage van verschillende massatransport verschijnselen te scheiden van de kinetische overdrachtsprocessen in de frequentierespons spectra van de cel. Bovendien kan cFRA onderscheid maken tussen verschillende bevochtigings toestanden van de kathode. In dit protocol is de focus op de gedetailleerde beschrijving van de procedure voor het uitvoeren van cFRA-experimenten. De meest kritische stappen van de metingen en de toekomstige verbeteringen van de techniek worden besproken.
Introduction
Het karakteriseren van het dynamische gedrag van een PEM-brandstofcel is belangrijk om te begrijpen welke mechanismen de tijdelijke operationele toestanden domineren die de prestaties van de cel verlagen. Elektrochemische impedantie spectroscopie (eis) is de meest gebruikte methodologie voor het bestuderen van PEM-brandstofcel dynamica, vanwege zijn vermogen om verschillende proces bijdragen te scheiden van de totale dynamische prestaties1,2. Tijdelijke processen met vergelijkbare tijd constanten worden echter vaak gekoppeld in de EIS spectra, waardoor het moeilijk is om ze te interpreteren. Om deze reden zijn in het verleden tijdelijke diagnostische hulpmiddelen gebaseerd op de toepassing van niet-elektrische ingangen met als doel het detecteren van de impact van een paar of individuele dynamiek zijn ontwikkeld en voorgesteld3,4,5,6,7.
Een nieuwe frequentierespons techniek gebaseerd op concentratie-perturbatie input en elektrische uitgangen met de naam concentratie-alternerende frequentierespons analyse (cFRA) is ontwikkeld in onze groep. Het potentieel van CFRA als selectieve diagnosetool is theoretisch en experimenteel onderzocht op6,7. Het bleek dat cFRA verschillende soorten massatransport verschijnselen kan scheiden en discrimineert tussen de verschillende toestanden van de werking van de cel. In dit protocol richten we ons op de stapsgewijze beschrijving van de procedure voor het uitvoeren van cFRA-experimenten. De montage van de cel, de conditionering en de experimentele opstelling voor het creëren van een feed met periodieke concentratie perturbatie, evenals de data-analyse zal worden getoond en uitvoerig besproken. Ten slotte zullen de meest kritische punten van de procedure worden benadrukt en zullen verschillende strategieën voor het verbeteren van de kwaliteit en selectiviteit van cFRA-spectra worden geprikeerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
In tegenstelling tot klassiek EIS, is cFRA een diagnostisch hulpmiddel gericht op de karakterisering van dynamiek gerelateerd aan de verschillende massatransport verschijnselen die zich voordoen in de brandstofcel. Het is niet mogelijk om transiënten met een tijdconstante onder de zuurstofdiffusie in de elektrode te detecteren, zoals bijvoorbeeld het laden/ontladen van de dubbellaags6. Daarom, in tegenstelling tot EIS waar verschillende verschijnselen zijn gekoppeld, cFRA kan helpen om patronen m…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Max Planck Instituut voor dynamiek van complexe technische systemen bijgestaan in het voldoen aan de publicatiekosten van dit artikel.
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 |
References
- 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).
