Una guida alla concentrazione dell'analisi di risposta di frequenza alternata delle celle a combustibile
Summary
Presentiamo un protocollo per la concentrazione dell’analisi della risposta di frequenza alternata delle celle a combustibile, un nuovo metodo promettente per studiare la dinamica delle celle a combustibile.
Abstract
Una configurazione sperimentale in grado di generare una perturbazione periodica dell’input di concentrazione di ossigeno è stata utilizzata per eseguire analisi di risposta di frequenza alternata della concentrazione (cFRA) sulle celle a combustibile a membrana di scambio di protoni (PEM). Durante gli esperimenti cFRA, il mangime di concentrazione modulato è stato inviato al catodo della cellula a frequenze diverse. La risposta elettrica, che può essere potenziale cellulare o corrente a seconda del controllo applicato sulla cella, è stata registrata al fine di formulare una funzione di trasferimento di risposta di frequenza. A differenza della spettroscopia elettrochimica tradizionale (EIS), la nuova metodologia cFRA consente di separare il contributo di diversi fenomeni di trasporto di massa dai processi di trasferimento della carica cinetica negli spettri di risposta alla frequenza la cellula. Inoltre, la cFRA è in grado di distinguere tra diversi stati di umidificazione del catodo. In questo protocollo, l’attenzione si concentra sulla descrizione dettagliata della procedura per eseguire esperimenti cFRA. Vengono discusse le fasi più critiche delle misurazioni e i futuri miglioramenti alla tecnica.
Introduction
Caratterizzare il comportamento dinamico di una cella a combustibile PEM è importante per capire quali meccanismi dominano gli stati operativi transitori abbassando le prestazioni della cella. La spettroscopia elettrochimica di impedimento (EIS) è la metodologia più comunemente utilizzata per studiare la dinamica delle celle a combustibile PEM, grazie alla sua capacità di separare diversi contributi di processo alle prestazioni dinamiche complessive1,2. Tuttavia, i processi temporanei con costanti temporali simili sono spesso accoppiati negli spettri EIS, rendendo difficile l’interpretazione. Per questo motivo, in passato sono stati sviluppati e propostieproposti 3,4,5,6,7.
Nel nostro gruppo è stata sviluppata una nuova tecnica di risposta di frequenza basata sull’input di perturbazione della concentrazione e sulle uscite elettriche denominate analisi di risposta alla frequenza alternata della concentrazione (cFRA). Il potenziale della CFRA come strumento diagnostico selettivo è stato studiato teoricamente e sperimentalmente6,7. Si è scoperto che la CFRA può separare diversi tipi di fenomeni di trasporto di massa e discriminare tra i diversi stati di funzionamento della cellula. In questo protocollo, ci concentriamo sulla descrizione passo-passo della procedura per l’esecuzione di esperimenti cFRA. L’assemblaggio della cellula, il suo condizionamento e la configurazione sperimentale per la creazione di un feed con perturbazione periodica della concentrazione, così come l’analisi dei dati saranno mostrati e discussi in dettaglio. Infine, verranno evidenziati i punti più critici della procedura e saranno individuate diverse strategie per migliorare la qualità e la selettività degli spettri cFRA.
Protocol
Representative Results
Discussion
A differenza dell’EIS classico, il cFRA è uno strumento diagnostico incentrato sulla caratterizzazione delle dinamiche relative ai diversi fenomeni di trasporto di massa che si verificano nella cella a combustibile. Non è in grado di rilevare alcun transitorio che abbia una costante temporale al di sotto della diffusione dell’ossigeno nell’elettrodo, come ad esempio la ricarica/scarico del doppio strato6. Pertanto, a differenza dell’EIS, dove sono accoppiati diversi fenomeni, la CFRA può aiutar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems ha contribuito a soddisfare i costi di pubblicazione di questo articolo.
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
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