Ein Leitfaden zur Konzentrations-Frequenz-Antwort-Analyse von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen werden in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Unser Protokoll beschreibt eine neue Methode zur Diagnose wichtiger Ausfallzustände dieser Geräte wie Degradation, Überflutung oder Vergiftung. Im Gegensatz zu anderen Techniken wie z. B. der elektrochemischen Impedanzspektroskopie kann diese Methode verwendet werden, um die Auswirkungen spezifischer Dynamiken auf die Polymerbrennstoffzellenleistung zu entkoppeln, was eine weniger mehrdeutige Fehleridentifikation ermöglicht.

Das Prozedere wird Tobias Franz, ein Meisterschüler aus meinem Labor, vorführen. Für die Brennstoffzellenmontage die Kathode bipolare Platte auf eine glatte und stabile Oberfläche mit der Strömungsfeldseite nach oben legen und die Dichtung auf die Platte legen, die an den Schraublöchern ausgerichtet ist. Legen Sie die Kathodengasdiffusionsschicht in die Mitte der Dichtung und fügen Sie die katalysatorbeschichtete Membranplatte an den Schraubenlöchern aus.

Legen Sie die Anodengasdiffusionsschicht und Dichtung auf die katalysatorbeschichtete Membran, um sicherzustellen, dass sich die Dichtung an den Schraublöchern ausrichtet. Legen Sie die Anode bipolare Platte Durchflussfeld Seite nach unten auf der Dichtung und fixieren Sie die Teile zusammen mit Schrauben. Als nächstes legen Sie die Kathode Edelstahl-Endplatte auf eine glatte und stabile Oberfläche und legen Sie ein rechteckiges Stück Teflon und einen Kupferstromkollektor auf die Oberseite des Teflon, das beide Teile an den Bolzenlöchern ausrichtet.

Schlitzen Sie die Kathodenseite der montierten Zelleinheit unter Berücksichtigung der Kerben in den Strömungsfeldern auf den Kathodenstromkollektor. Legen Sie die Anodenseite des Geräts auf den Anodenstromkollektor mit den Teflondichtungen, die mit der Anoden-Edelstahl-Endplatte oben positioniert sind. Legen Sie die Isolierhülsen, den O-Ring und die Schrauben in die Löcher der Anodenendplatte, drehen Sie die Zelle vertikal, und legen Sie die Isolierhülsen, O-Ring und Muttern auf die Schrauben auf der Kathodenseite des Geräts.

Verwenden Sie dann einen Drehmomentschlüssel, um die Schrauben quer festzuziehen, bis der empfohlene Drehmomentwert von fünf Newtonmetern erreicht ist, wodurch das Drehmoment pro Querzyklus um einen Newtonmeter erhöht wird. Zur Integration der Brennstoffzelle mit der Peripherie stellen Sie die Brennstoffzelleneinheit in eine Heizbox und schließen Sie die Ein- und Auslässe an die Peripherie an. Setzen Sie das Thermoelement in die Kathodenendplatte ein und verbinden Sie die Brennstoffzelle mit dem Potentiostat zur Elektrodenkonfiguration.

Starten Sie die Software, mit der die Zellperipherie gesteuert wird, und wählen Sie die Werte der Anoden- und Kathoden-Einlassgasdurchflussraten aus. Wählen Sie die Temperatur der Einlassgase aus. Schalten Sie die Heizbänder ein und warten Sie, bis die Solltemperatur erreicht ist.

Stellen Sie die Temperaturen der Thermostate ein, um die gewünschte Taupunkttemperatur der Einlassgase zu definieren und die Thermostate einzuschalten. Stellen Sie die gewählte Temperatur der Brennstoffzelle auf dem Bedienfeld des Heizkastens ein und schalten Sie die Heizung ein. Wenn die Solltemperatur der Brennstoffzelle erreicht ist, überprüfen Sie den Befeuchtungszustand der Einlassgase und überprüfen Sie das Potenzial der Brennstoffzellen, die frei werden.

Um ein konzentrationsalternierendes Frequenzgangexperiment durchzuführen, drücken Sie sanft auf den Kolben des oberen Teils eines Fasersauerstoffsensors, um den empfindlichen Teil der Faser freizulegen. Legen Sie dann die Faser in die Mitte des Schlauches am Zelleinlass. Öffnen Sie die Sensorsoftware und stellen Sie das Abtastintervall auf 0,15 Sekunden ein, um die Erkennung eines periodischen Signals bis zu einem Hertz-Zeitraum zu ermöglichen.

Öffnen Sie die Elektrochemie-Software, um das verfahren für die Konzentrations-Wechselfrequenz-Frequenzantwortzujesanalyse zu bearbeiten, und wählen Sie im Aktionsbereich ein neues Verfahren aus. Wählen Sie in Befehlen das Steuerelementsymbol aus, und fügen Sie das Symbol in den Arbeitsbereich ein. Wählen Sie in den Eigenschaften den Modus auf galvanostatic und die Zelle im Befehl aus, in der der Befehl neben dem Steuerelementsymbol platziert wird.

Fügen Sie den linearen Sweep-Voltammetrie-Treppenbefehl aus der Messung zyklische und lineare Sweep-Voltammetrie hinzu. Legen Sie in Eigenschaften den Startstrom auf 0,0 Ampere und den Stoppstromwert auf den stationären Zustand fest. Legen Sie die Scanrate auf 0,005 Ampere pro Sekunde und den Schritt auf 0,1 Ampere fest.

Fügen Sie zwei Aufzeichnungssignalbefehle ein. Legen Sie in den Eigenschaften die Dauer auf 7, 200 Sekunden und die Intervallabtastzeit für beide Befehle auf 0,5 Sekunden fest. Beachten Sie, dass das erste Aufzeichnungsfenster verwendet wird, um zu überwachen, wie sich das Ausgangssignal den periodischen Konstantenzustandsbedingungen nähert, während das zweite das periodische Ausgangssignal für den stationären Zustand registriert, das analysiert wird.

Fügen Sie einen Wiederholungsbefehl hinzu, um den gleichen Schritt für die Wiederholung 20-mal festzulegen. Drücken Sie Play, um das konzentrationswechselnde Frequenzgangprogramm zu starten. Beobachten Sie im ersten Wiederholungssatz das Aufzeichnungsfenster, um zu überprüfen, ob das Zellenpotential den Konstantzustandswert erreicht.

Um eine lineare Reaktion zu gewährleisten, öffnen Sie das zusätzliche Sauerstoffventil und stellen Sie den Massenstromregler auf 5 % des Wertes der Gesamtdurchflussrate des Hauptvorschubs ein. Stellen Sie die Schaltzeit des Ventils auf einen Anfangswert von 0,5 Sekunden ein, und klicken Sie auf Start. Warten Sie dann, bis das Zellenpotenzial einen periodischen stationären Zustand im Überwachungsfenster erreicht, bevor Sie auf weiter klicken.

Die Probenahme des Potentials unter quasi stationärem Zustand ist notwendig, um artefaktfreie Spektren zu erhalten, da das Vorhandensein eines Driftsignals zu irreführenden Schlussfolgerungen führen könnte. Registrieren Sie das periodische Stationäre Signal im neuen Aufzeichnungsfenster 60 Sekunden lang und klicken Sie erneut auf weiter. Registrieren Sie gleichzeitig den periodischen Sauerstoffeingang und klicken Sie in der Sensorsoftware auf Start.

Geben Sie einen Namen ein, der an die Frequenzeingabe erinnert, und klicken Sie auf OK. Registrieren Sie dann das Signal für 60 Sekunden und klicken Sie auf Stopp. Wenn Sie die vorherigen Schritte wiederholen, messen Sie die periodischen Eingangs-/Ausgangskorrelationen für Signale mit einem Zeitraum in einem Frequenzbereich von acht bis 1.000 Mikrohertz, während sie acht Frequenzpunkte pro Jahrzehnt erhalten. Bei Frequenzen unter 100 Mikrohertz werden die Signale für einen Zeitraum abtasten, der fünf Perioden entspricht.

Um die konzentrationswechselnden Frequenzgangdaten zu analysieren, öffnen Sie die MATLAB-Skripte FFT_input. Matte und FFT_output.mat. Geben Sie im Adressordner die Angaben zum Speicherort des Ordners ein, in dem der gemessene Sauerstoffdruck und aktuelle Datendateien gespeichert sind.

Führen Sie die FFT_po2 aus. Matte und FFT_pot. und überprüfen Sie die geplotteten Diagramme, um festzustellen, ob der berechnete Algorithmus ordnungsgemäß funktioniert.

Öffnen sie dann das MATLAB-Skript cfra_spectra.mat, und führen Sie es aus. Die Größe, der Phasenwinkel und die Nyquist-Spektren der konzentrationsalternierenden Frequenzganganalyse-Übertragungsfunktion unter galvanostatischen Bedingungen werden dargestellt. In dieser repräsentativen Analyse wurden die elektrochemische Impedanzspektroskopie-Größe und die Phasen-Bode-Plotspektren zunächst an drei verschiedenen konstanten Konstantstromdichten unter galvanostatischer Kontrolle gemessen.

Hierkönnen beispielhafte periodische Sauerstoffdruckeingänge bei zwei verschiedenen Frequenzen und deren Fourier-Transformationen beobachtet werden. Die Größen der Oberschwingungen wurden in Bezug auf die Grundharmonika normalisiert und der Druckeingang bei einer 49-Mikrohertz-Frequenz durch eine sinusförmige Form gekennzeichnet. Der Druckeingang bei einer niedrigeren Frequenz ähnelte einer periodischen rechteckigen Wellenform und die damit verbundene normalisierte Fourier-Transformation spiegelte perfekt die eines rechteckigen Wellensignals wider, das absteigende harmonische Komponenten bei mehreren ungeraden ganzzahligen Frequenzen in Bezug auf die grundlegende darstellt.

Die Zellpotentialantworten zeigten identische Merkmale. Beachten Sie, dass eine spektrale Analyse der Ein- und Ausgabe, die an einer nicht-ganzzahligen Anzahl von periodischen Zyklen durchgeführt wird, aufgrund der Wirkung der spektralen Leckage zu irreführenden Ergebnissen führen kann. In diesem Fall ist das Signal durch eine stärker ausgedrückte Rauschbandbreite bei fundamentaler Frequenz gekennzeichnet.

Darüber hinaus beträgt die Magnitude etwa 90 % des ordnungsgemäß verarbeiteten Signals. Um das spektrale Leckagen zu vermeiden, sollte ein Verfahren der Fensterung auf jedes analysierte Signal angewendet werden. Hierbei werden konzentrationsalternierende Frequenzganganalysespektren gezeigt, die unter voltastatischen und galvanostatischen Bedingungen unter den gleichen stationären Bedingungen gemessen werden wie bei den elektrochemischen Impedanzspektroskopiespektren.

Wie im Hochfrequenzbereich beobachtet, zeigen sowohl voltastatische als auch galvanostatische, konzentrationswechselnde Frequenzganganalysespektren keine Empfindlichkeit gegenüber einer doppelschichtigen Lade-/Entladedynamik. Die cFRA-Spektren reagieren nur empfindlich auf Transienten im Zusammenhang mit Massentransportphänomenen. Um unerwünschte Beiträge zu den ausgewerteten Spektren zu vermeiden, messen Sie das Zellpotential unter quasi stationären Bedingungen und proben Sie eine ausreichende Anzahl von Perioden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.

So bietet der Betrieb elektrochemischer Brennstoffzellen und Reaktoren unter periodischen Bedingungen neben der Diagnostik zusätzliche Möglichkeiten zur Wirkung auf die Energieeffizienz sowie die Produktselektivität elektrochemischer Prozesse.