Wir präsentieren ein Protokoll zur konzentrationsabwechselnden Frequenzganganalyse von Brennstoffzellen, eine vielversprechende neue Methode zur Untersuchung der Brennstoffzellendynamik.
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Methodenartikel
Ein Leitfaden zur Konzentrations-Frequenz-Antwort-Analyse von Brennstoffzellen
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
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.
Einleitung
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 vorübergeh....
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Protokoll
1. Materialaufbereitung
- Schneiden und perforieren Sie zwei rechteckige Stücke von Teflon von der gleichen Größe wie die Endplatten mit einer Schneidpresse; achten Sie darauf, dass sich die Löcher genau an der Stelle befinden, an der die Schrauben platziert werden sollen.
- Mit dem gleichen Verfahren schneiden TeflonDichtungen unter Berücksichtigung der äußeren und inneren Abmessungen des Strömungsfeldes, und die Position der Löcher, wo die Schrauben platziert werden sollen.
- Schneiden Sie die Gasdiffusionsschichten mit einem Metallrahmen, der der Größe der Dichtungen entspricht.
- Schneiden Sie das überschüssige Nafion von der kataly....
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Ergebnisse
Die vorläufige Analyse der Brennstoffzellendynamik auf Basis von EIS-Spektren ist in Abbildung 2dargestellt. EIS-Magnituden (Abbildung 2A) und Phase-Bode-Diagramme (Abbildung 2B) spektren werden an drei verschiedenen konstanten Konstantstromdichten unter galvanostatischen Kontrolle gemessen. Wie erwartet werden alle haupttransienten Prozesse beobachtet: das Doppelsch.......
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Diskussion
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, die.......
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Offenlegungen
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Danksagungen
Das Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme unterstützte die Veröffentlichungskosten dieses Artikels.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Membran-Elektroden-Baugruppe N115 25,8 cm2 | QuinTech | EC-NM-115 | Kathoden-/Anodenbefestigung: 1mg Pt/cm2 |
| Potentiostat | Metrhohm | PGSTAT302N | |
| Booster | Metrohm | BOOSTER20A | |
| Einziehbarer Faser-Sauerstoffsensor | Pyro Science | OXR430-UHS | |
| Taupunkt- und Temperaturmessgerät | VAISALA | DMT340 | |
| Software Prozessleitsystem | Siemens | Simatic PCS 7 | |
| Software MATLAB2012a | Mathworks | ||
| Wasserstoff | Linde | Wasserstoff 6.0 | |
| Stickstoff | Linde | Stickstoff 5.0 | |
| Sauerstoff | Linde | Sauerstoff 5.0 |
Referenzen
- 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 o....
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Nachdrucke und Genehmigungen
