Guide de concentration En alternance d'analyse des réponses aux fréquences des piles à combustible
Summary
Nous présentons un protocole pour l’analyse de réponse de fréquence alternée de concentration des piles à combustible, une nouvelle méthode prometteuse d’étude de la dynamique des piles à combustible.
Abstract
Une configuration expérimentale capable de générer une perturbation périodique de l’entrée de concentration de l’oxygène a été utilisée pour effectuer l’analyse de réponse de fréquence de concentration-alternance (cFRA) sur les piles à combustible de membrane d’échange de protons (PEM). Au cours des expériences de l’ACRC, l’alimentation de concentration modulée a été envoyée à la cathode de la cellule à différentes fréquences. La réponse électrique, qui peut être un potentiel cellulaire ou courant en fonction du contrôle appliqué sur la cellule, a été enregistrée afin de formuler une fonction de transfert de réponse de fréquence. Contrairement à la spectroscopie électrochimique traditionnelle d’impédance (EIS), la nouvelle méthodologie cFRA permet de séparer la contribution de différents phénomènes de transport de masse des processus de transfert de charge cinétique dans les spectres de réponse de fréquence de la cellule. En outre, cFRA est capable de différencier entre les différents états d’humidification de la cathode. Dans ce protocole, l’accent est mis sur la description détaillée de la procédure d’exécution des expériences cFRA. Les étapes les plus critiques des mesures et les améliorations futures à la technique sont discutées.
Introduction
Il est important de caractériser le comportement dynamique d’une pile à combustible PEM afin de comprendre quels mécanismes dominent les états opérationnels transitoires qui réduisent les performances de la cellule. La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) est la méthodologie la plus couramment utilisée pour étudier la dynamique des piles à combustible PEM, en raison de sa capacité à séparer les différentes contributions au processus de la performance dynamique globale1,2. Cependant, les processus transitoires avec des constantes de temps similaires sont souvent couplés dans les spectres EIS, ce qui rend difficile leur interprétation. Pour cette raison, dans le passé, des outils de diagnostic transitoires basés sur l’application d’intrants non électriques dans le but de détecter l’impact de quelques dynamiques individuelles ont été développés et proposés3,4,5,6,7.
Une nouvelle technique de réponse de fréquence basée sur l’entrée de perturbation de concentration et les sorties électriques nommées analyse de réponse de fréquence concentration-alternance (cFRA) a été développée dans notre groupe. Le potentiel de cFRA comme outil de diagnostic sélectif a été étudié théoriquement et expérimentalement6,7. Il a été constaté que cFRA peut séparer différents types de phénomènes de transport de masse et de distinguer entre les différents états de fonctionnement de la cellule. Dans ce protocole, nous nous concentrons sur la description étape par étape de la procédure d’exécution des expériences cFRA. L’assemblage de la cellule, son conditionnement et la configuration expérimentale pour la création d’un flux avec perturbation de concentration périodique, ainsi que l’analyse des données seront montrés et discutés en détail. Enfin, les points les plus critiques de la procédure seront mis en évidence et plusieurs stratégies pour améliorer la qualité et la sélectivité des spectres cFRA seront identifiées.
Protocol
Representative Results
Discussion
Contrairement à l’EIE classique, le CFRA est un outil de diagnostic axé sur la caractérisation de la dynamique liée aux différents phénomènes de transport de masse qui se produisent dans la pile à combustible. Il n’est pas en mesure de détecter les transitoires ayant une constante de temps en dessous de la diffusion de l’oxygène dans l’électrode, comme par exemple la charge / décharge de la double couche6. Par conséquent, contrairement à l’EIE où plusieurs phénomènes sont couplés…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
L’Institut Max Planck pour la dynamique des systèmes techniques complexes a aidé à faire face aux coûts de publication de cet article.
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).
