Руководство по концентрации чередующихся частотный анализ реакции топливных элементов
Summary
Мы представляем протокол для анализа концентрационного переменного частотного ответа топливных элементов, перспективный новый метод изучения динамики топливных элементов.
Abstract
Экспериментальная установка, способная генерировать периодическое вводимые возмущения ввода концентрации кислорода, была использована для выполнения анализа концентрационно-переменного частотного ответа (cFRA) на протонных обменных мембранах (PEM) топливных элементах. Во время экспериментов cFRA модулированный концентрационный корм отправлялся в катод клетки на разных частотах. Электрический ответ, который может быть потенциалом клетки или током в зависимости от управления приложенного на клетке, был зарегистрирован для того чтобы сформулировать функцию перехода частоты. В отличие от традиционной электрохимической спектроскопии импедации (EIS), новая методология cFRA позволяет отделить вклад различных явлений массового транспорта от процессов передачи кинетического заряда в спектрах частотного ответа ячейки. Кроме того, cFRA способен различать различные состояния увлажнения катода. В этом протоколе основное внимание уделяется подробному описанию процедуры проведения экспериментов cFRA. Обсуждаются наиболее важные этапы измерений и будущие усовершенствования метода.
Introduction
Характеристика динамического поведения топливного элемента PEM важна для того, чтобы понять, какие механизмы доминируют в переходных операционных состояниях, снижающих производительность ячейки. Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) является наиболее часто используемой методологией для изучения динамики топливных элементов PEM, благодаря своей способности отделять различные технологические вклады в общую динамическую производительность1,2. Однако переходные процессы с аналогичными временными константами часто соединяются в спектрах EIS, что затрудняет их интерпретацию. По этой причине в прошлом были разработаны и предложены3,4,5,6,7.
В нашей группе разработан новый метод частотного реагирования, основанный на входе в действие возмущения концентрации и электрических выходов, названных анализом частотного реагирования (cFRA). Потенциал cFRA как селективного диагностического инструмента был исследован теоретически и экспериментально6,7. Было установлено, что cFRA может разделять различные виды явлений общественного транспорта и различать различные состояния работы клетки. В этом протоколе мы сосредоточиваемся на поэтапном описании процедуры проведения экспериментов cFRA. Сборка ячейки, ее кондиционирование и экспериментальная установка для создания корма с периодическими возмущениями концентрации, а также анализ данных будут показаны и подробно обсуждены. Наконец, будут выделены наиболее важные моменты процедуры и выявлено несколько стратегий повышения качества и избирательности спектров cFRA.
Protocol
Representative Results
Discussion
В отличие от классической EIS, cFRA является диагностическим инструментом, ориентированным на характеристику динамики, связанной с различными явлениями массового транспорта, происходящими в топливном элементе. Он не в состоянии обнаружить любые переходные, имеющие время постоянной ниже…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Институт динамики сложных технических систем Макса Планка оказал помощь в удовлетворении расходов на публикацию этой статьи.
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).
