燃料电池浓度交替频率响应分析指南

燃料电池将来将扮演重要角色。我们的协议描述了一种诊断这些设备的主要故障状态（如降解、洪水或中毒）的新方法。与其他技术（如电化学阻抗光谱法）不同，此方法可用于分离特定动力学对聚合物燃料电池性能的影响，从而促进不太模糊的故障识别。

这个程序将由我实验室的硕士生托比亚斯·弗朗茨来演示。对于燃料电池组装，将阴极双极板放在光滑坚固的表面上，将流场侧向上放置，然后将垫片放在与螺杆对齐的板的顶部。将阴极气体扩散层放在垫片中间，并添加与螺钉孔对齐的催化剂涂层膜顶部。

将阳极气体扩散层和垫片放在催化剂涂层膜的顶部，确保垫片与螺钉孔对齐。将阳极双极板流场侧放在垫片顶部，然后用螺钉固定零件。接下来，将阴极不锈钢端板放在光滑坚固的表面上，在特氟龙顶部放置一块长方形的特氟龙和一个铜电流收集器，使两块与螺栓孔对齐。

考虑到流场中的凹口，将组装的单元单元的阴极侧插槽到阴极电流收集器上。将装置的阳极侧插入阳极电流收集器，将特氟隆垫片放在阳极不锈钢端板上。将绝缘套筒、O 形环和螺栓放在阳极端板的孔中，垂直转动电池，将绝缘套筒、O 形环和螺母放在单元阴极侧的螺栓上。

然后使用扭矩扳手交叉拧紧螺栓，直到达到建议的扭矩值 5 牛顿米，使每个横周期的扭矩增加一牛顿米。为了将燃料电池与外围装置集成，请将燃料电池单元放在加热箱中，然后将入口和出口连接到外围。将热电偶插入阴极端板，并将燃料电池与电位器接口到电极配置。

启动用于控制电池外围的软件，并选择阳极和阴极进气流量的值。选择进气的温度。打开加热胶带，等待达到设定温度。

设置恒温器的温度以定义进气所需的露点温度并打开恒温器。在加热箱的控制面板上设置燃料电池的选定温度，然后打开加热。当达到燃料电池的设定点温度时，检查进气的加湿状态并检查燃料电池开路电池电位。

要执行浓度-交替频率响应实验，请轻轻向下推光纤氧传感器上部的柱塞，以暴露光纤的敏感部分。然后将纤维放入细胞入口的管子中心。打开传感器软件，将采样间隔设置为 0.15 秒，以便检测周期信号，时间长达 1 赫兹。

打开电化学软件编辑浓度-交替频率响应分析程序，并在动作部分选择新程序。在命令中，选择控制图标并将该图标插入工作区。在属性中，选择电力静态模式和命令上的单元格，将命令放在控件图标旁边。

从测量循环和线性扫描电压测量中添加线性扫描电压测量楼梯命令。在属性中，将开始电流设置为 0.0 安培，将停止电流值设置为稳定状态。将扫描速率设置为 0.005 安培/秒，将步骤设置为 0.1 安培/ 秒。

插入两个记录信号命令。在属性中，将持续时间设置为 7，200 秒，将两个命令的间隔采样时间设置为 0.5 秒。请注意，第一个记录窗口用于监视输出信号如何接近周期性稳定状态条件，而第二个记录窗口用于记录所分析的稳定状态周期输出信号。

添加重复命令以将同一步骤设置为重复 20 次。按播放以启动浓度-交替频率响应程序。在第一组重复中，观察录制窗口以检查单元格电位是否达到稳定状态值。

为确保线性响应，打开附加氧阀，将质量流量控制器设置为主进给总流量值的 5%。将阀门的开关时间设置为初始值 0.5 秒，然后单击"启动"。然后等待，直到单元格电位在监视窗口中达到周期性稳定状态，然后单击下一步。

在准稳定状态条件下对电位进行采样是获得无伪影光谱所必需的，因为漂移信号的存在可能导致误导性的结论。在新录制窗口中注册定期稳定状态信号 60 秒，然后再次单击下一步。同时，注册定期氧气输入，并在传感器软件中单击启动。

输入调用频率输入的名称，然后单击"确定"。然后注册信号 60 秒，然后单击停止。重复前面的步骤，测量频率范围为 8 到 1，000 微赫的周期信号的周期输入/输出相关性，同时每十年获取 8 个频率点。在低于 100 微赫的频率下，对信号采样的时间范围相当于五个周期。

要分析浓度-交替频率响应数据，请打开 MATLAB 脚本FFT_input。垫子和FFT_output. mat.在地址文件夹中，插入存储测量的氧气压力和当前数据文件的文件夹位置的规范。

运行FFT_po2。垫子和FFT_pot。垫脚本，并检查绘制的图表，以确定计算的算法是否正常工作。

然后打开并运行 MATLAB 脚本cfra_spectra.mat。绘制了电静条件下浓度-交替频率响应分析传输函数的幅度、相位角和奈奎斯特光谱。在此代表性分析中，首先在电阻控制下以三种不同的稳定状态电流密度测量电化学阻抗光谱量和相位波子图光谱。

在这里，可以观察到两个不同频率的模范周期性氧压输入及其的 Fourier 变换。谐波的幅度与基本谐波一起进行规范化，49微赫频率的压力输入以正弦形状为特征。较低频率的压力输入类似于周期性方波形状，相关的规范化的 Fourier 变换完美地反映了正方波信号的变换，该变频在多个奇数整数频率下呈现与基本面的谐波分量。

单元格电位响应呈现相同的特征。请注意，对在非整数周期数上执行的输入和输出进行光谱分析可能导致由于光谱泄漏的影响而产生误导性结果。在这种情况下，信号的特点是基本频率的噪声带宽更宽。

此外，震级大约是正确处理的信号的 90%。为避免光谱泄漏，应对分析的任何信号应用窗口处理程序。在这里，显示了在电压和电阻条件下与电化学阻抗光谱相同的稳定状态条件下测量的浓度-交替频率响应分析光谱。

如高频区域所观察到的，伏特和电态浓度-交替频率响应分析光谱均显示对双层充电/放电动力学没有敏感性。cFRA 光谱仅对与质量传输现象相关的瞬变敏感。为了避免对评估光谱的意外贡献，在准稳定状态条件下测量细胞电位，并采样足够的周期数，以提高信噪比。

因此，除了诊断外，电化学燃料电池和反应器在周期性条件下的运行也增加了影响能量转换效率和电化学过程产品选择性的可能性。