Ein Leitfaden zur Konzentrations-Frequenz-Antwort-Analyse von Brennstoffzellen
Summary
Wir präsentieren ein Protokoll zur konzentrationsabwechselnden Frequenzganganalyse von Brennstoffzellen, eine vielversprechende neue Methode zur Untersuchung der Brennstoffzellendynamik.
Abstract
Ein Versuchsaufbau, der eine periodische Konzentrationseingangsstörung von Sauerstoff erzeugen kann, wurde verwendet, um eine konzentrationswechselnde Frequenzganganalyse (cFRA) an Protonen-Austauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) durchzuführen. Während cFRA-Experimenten wurde das modulierte Konzentrationsfutter mit unterschiedlichen Frequenzen an die Kathode der Zelle geschickt. Das elektrische Ansprechverhalten, das je nach der auf die Zelle angewendeten Steuerung Zellpotential oder Strom sein kann, wurde registriert, um eine Frequenzgangübertragungsfunktion zu formulieren. Im Gegensatz zur herkömmlichen elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) ermöglicht die neuartige cFRA-Methodik, den Beitrag verschiedener Massentransportphänomene von den kinetischen Ladungsübertragungsprozessen in den Frequenzgangspektren von die Zelle. Darüber hinaus ist cFRA in der Lage, zwischen unterschiedlichen Befeuchtungszuständen der Kathode zu unterscheiden. In diesem Protokoll liegt der Schwerpunkt auf der detaillierten Beschreibung des Verfahrens zur Durchführung von cFRA-Experimenten. Die wichtigsten Schritte der Messungen und zukünftige Verbesserungen der Technik werden diskutiert.
Introduction
Die Charakterisierung des dynamischen Verhaltens einer PEM-Brennstoffzelle ist wichtig, um zu verstehen, welche Mechanismen die transienten Betriebszustände dominieren und die Leistung der Zelle senken. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist die am häufigsten verwendete Methode zur Untersuchung der PEM-Brennstoffzellendynamik, da sie verschiedene Prozessbeiträge zur dynamischen Gesamtleistung1,2trennen kann. Transiente Prozesse mit ähnlichen Zeitkonstanten werden jedoch häufig in den EIS-Spektren gekoppelt, was ihre Interpretation erschwert. Aus diesem Grund wurden in der Vergangenheit vorübergehende Diagnosewerkzeuge entwickelt und vorgeschlagen, die auf der Anwendung nichtelektrischer Eingänge basieren, mit dem Ziel, die Auswirkungen einiger oder individueller Dynamiken zu erkennen,3,4,5,6,7.
In unserer Gruppe wurde eine neuartige Frequenzgangtechnik entwickelt, die auf Konzentrationsstörungen und elektrischen Ausgängen mit dem Namen Konzentrations-Wechselfrequenz-Frequenzganganalyse (cFRA) basiert. Das Potenzial von cFRA als selektives diagnostisches Werkzeug wurde theoretisch und experimentell untersucht6,7. Es wurde festgestellt, dass cFRA verschiedene Arten von Massentransportphänomenen trennen und zwischen den verschiedenen Betriebszuständen der Zelle unterscheiden kann. In diesem Protokoll konzentrieren wir uns auf die schrittweise Beschreibung des Verfahrens zur Durchführung von cFRA-Experimenten. Die Zusammenstellung der Zelle, ihre Konditionierung und der Versuchsaufbau zur Erstellung eines Feeds mit periodischer Konzentrationsstörung sowie die Datenanalyse werden ausführlich dargestellt und diskutiert. Schließlich werden die wichtigsten Punkte des Verfahrens hervorgehoben und mehrere Strategien zur Verbesserung der Qualität und Selektivität von cFRA-Spektren ermittelt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Im Gegensatz zum klassischen EIS ist cFRA ein diagnostisches Werkzeug, das sich auf die Charakterisierung der Dynamik im Zusammenhang mit den verschiedenen Massentransportphänomenen in der Brennstoffzelle konzentriert. Es ist nicht in der Lage, Transienten mit einer Zeitkonstante unterhalb der Sauerstoffdiffusion in der Elektrode zu erkennen, wie z.B. das Aufladen/Entladen der Doppelschicht6. Daher kann cFRA im Gegensatz zu EIS, bei dem mehrere Phänomene gekoppelt sind, dazu beitragen, Muster, d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Das Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme unterstützte die Veröffentlichungskosten dieses Artikels.
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).
