Una guida alla concentrazione dell'analisi di risposta di frequenza alternata delle celle a combustibile

Le celle a combustibile svolgeranno un ruolo importante in futuro. Il nostro protocollo descrive un nuovo metodo per diagnosticare i principali stati di errore di questi dispositivi come degrado, allagamento o avvelenamento. A differenza di altre tecniche come ad esempio la spettroscopia di impedenza elettrochimica, questa metodologia può essere utilizzata per disaccoppiare l'impatto di dinamiche specifiche sulle prestazioni delle celle a combustibile polimeriche facilitando un'identificazione dei guasti meno ambigua.

La procedura sarà dimostrata da Tobias Franz, un maestro studente del mio laboratorio. Per l'assemblaggio a celle a combustibile, posizionare la piastra bipolare catoda su una superficie liscia e robusta con il lato del campo di flusso verso l'alto e posizionare la guarnizione sopra la piastra allineata con i fori delle viti. Posizionare lo strato di diffusione del gas catodo al centro della guarnizione e aggiungere il piano della membrana rivestito con catalizzatore allineato con i fori delle viti.

Posizionare lo strato di diffusione del gas anodo e la guarnizione sopra la membrana rivestita da catalizzatore assicurandosi che la guarnizione si allinei con i fori delle viti. Posizionare il lato del campo di flusso della piastra bipolare anodo sulla parte superiore della guarnizione e fissare le parti insieme alle viti. Quindi, posizionare la piastra finale in acciaio inossidabile catodo su una superficie liscia e robusta e posizionare un pezzo rettangolare di Teflon e un collettore di corrente di rame sopra il Teflon allineando entrambi i pezzi con i fori del bullone.

Infilare il lato catodo dell'unità cellulare assemblata sul collettore di corrente catoda tenendo conto delle tacche nei campi di flusso. Infilare il lato anodo dell'unità sul collettore di corrente anodica con le guarnizioni in Teflon posizionate con la piastra finale in acciaio inossidabile anodo in cima. Posizionare le maniche isolanti, l'O-ring e i bulloni nei fori della piastra finale dell'anodo, ruotare la cella verticalmente e posizionare le maniche isolanti, l'O-ring e i dadi sui bulloni sul lato catodico dell'unità.

Quindi utilizzare una chiave di coppia per serrare i bulloni trasversalmente fino a raggiungere il valore di coppia consigliato di cinque newtonmetri, aumentando la coppia di un newton metro per ciclo trasversale. Per l'integrazione della cella a combustibile con la periferia, posizionare l'unità a celle a combustibile in una scatola di riscaldamento e collegare le entrate e le uscite alla periferia. Inserire la termocopia nella piastra finale del catodo e interfacciare la cella a combustibile con il potenziostato alla configurazione dell'elettrodo.

Avviare il software utilizzato per controllare la periferia cellulare e selezionare i valori delle portate del gas di ingresso anodo e catodo. Selezionare la temperatura dei gas di ingresso. Accendere i nastri riscaldanti e attendere fino al raggiunto la temperatura del setpoint.

Impostare le temperature dei termostati per definire la temperatura del punto di rugiada desiderata dei gas di ingresso e accendere i termostati. Impostare la temperatura scelta della cella a combustibile sul pannello di controllo della scatola di riscaldamento e accendere il riscaldamento. Quando viene raggiunta la temperatura del setpoint della cella a combustibile, controllare lo stato di umidificazione dei gas di ingresso e controllare il potenziale delle celle a circuito aperto della cella a combustibile.

Per eseguire un esperimento di risposta in frequenza alternato alla concentrazione, spingere delicatamente verso il basso sullo stantuffo della parte superiore di un sensore di ossigeno in fibra per esporre la parte sensibile della fibra. Quindi posizionare la fibra al centro del tubo all'ingresso della cella. Aprire il software del sensore e impostare l'intervallo di campionamento su 0,15 secondi per consentire il rilevamento di un segnale periodico fino a un periodo di un hertz.

Aprire il software di elettrochimica per modificare la procedura di analisi della risposta in frequenza alternata alla concentrazione e nella sezione azione selezionare una nuova procedura. Nei comandi selezionare l'icona del controllo e inserire l'icona nell'area di lavoro. Nelle proprietà, selezionare la modalità su galvanostatico e la cella al comando posizionando il comando accanto all'icona del controllo.

Aggiungete il comando scala voltammetry sweep lineare dalla voltammetria di sweep ciclica e lineare di misura. Nelle proprietà impostare la corrente iniziale su 0,0 ampere e il valore corrente di arresto sullo stato stazionario. Impostare la velocità di scansione su 0,005 ampere al secondo e il passo su 0,1 ampere.

Inserire due comandi di segnale di record. Nelle proprietà impostare la durata su 7.200 secondi e il tempo di campionamento dell'intervallo su 0,5 secondi per entrambi i comandi. Si noti che la prima finestra di registrazione viene utilizzata per monitorare il modo in cui il segnale di uscita si avvicina alle condizioni periodiche dello stato stazionario, mentre la seconda è quella di registrare il segnale di uscita periodico allo stato stazionario che viene analizzato.

Aggiungere un comando di ripetizione per impostare lo stesso passaggio da ripetere 20 volte. Premere play per avviare il programma di risposta in frequenza alternato alla concentrazione. Nel primo set di ripetizioni, osservare la finestra di registrazione per verificare se il potenziale della cella raggiunge il valore dello stato stazionario.

Per garantire una risposta lineare, aprire la valvola di ossigeno aggiuntiva e impostare il controller di flusso di massa sul 5% del valore della portata totale dell'alimentazione principale. Impostare il tempo di commutazione della valvola su un valore iniziale di 0,5 secondi e fare clic su Avvia. Attendere quindi che il potenziale della cella raggiunga uno stato stazionario periodico nella finestra di monitoraggio prima di fare clic su Avanti.

Il campionamento del potenziale in condizioni quasi stazionarie è necessario per ottenere spettri senza artefatto in quanto la presenza di segnali alla deriva potrebbe portare a conclusioni fuorvianti. Registrare il segnale periodico dello stato stazionario nella nuova finestra di registrazione per 60 secondi e fare di nuovo clic su Avanti. Allo stesso tempo, registrare l'ingresso periodico di ossigeno e fare clic sull'avvio nel software del sensore.

Immettere un nome che richiami l'input di frequenza e fare clic su OK. Quindi registrare il segnale per 60 secondi e fare clic su Interrompi. Ripetendo i passaggi precedenti, misurare le correlazioni periodiche di ingresso/uscita per i segnali con un periodo in un intervallo di frequenza da otto a 1.000 microhertz acquisendo otto punti di frequenza per decennio. A frequenze inferiori a 100 microhertz, campionare i segnali per un intervallo di tempo equivalente a cinque periodi.

Per analizzare i dati di risposta in frequenza alternati alla concentrazione, aprire gli script MATLAB FFT_input. tappetino e FFT_output.mat. Nella cartella degli indirizzi inserire le specifiche della posizione della cartella in cui sono memorizzati la pressione di ossigeno misurata e i file di dati correnti.

Esegui il FFT_po2. tappetino e FFT_pot. mat e controllare i diagrammi tracciati per determinare se l'algoritmo calcolato funziona correttamente.

Aprire ed eseguire lo script MATLAB cfra_spectra.mat. Verranno tracciati la grandezza, l'angolo di fase e gli spettri di Nyquist della funzione di trasferimento dell'analisi della risposta in frequenza alternata alla concentrazione in condizioni galvanostatiche. In questa analisi rappresentativa, la magnitudine della spettroscopia di impedenza elettrochimica e gli spettri del diagramma di bode di fase sono stati misurati per la prima volta in tre diverse densità di corrente allo stato stazionario sotto controllo galvanostatico.

Qui, è possibile osservare ingressi periodici esemplari di pressione dell'ossigeno a due frequenze diverse e le loro trasformazioni di Fourier. Le magnitudini delle armoniche sono state normalizzate rispetto all'armonica fondamentale e l'ingresso di pressione ad una frequenza di 49 microhertz era caratterizzato da una forma sinusoidale. L'ingresso di pressione ad una frequenza inferiore assomigliava a una forma d'onda quadra periodica e la relativa trasformata di Fourier normalizzata rifletteva perfettamente quella di un segnale d'onda quadra che presentava componenti armoniche discendenti a più frequenze intere dispari rispetto a quella fondamentale.

Le risposte potenziali della cella presentava caratteristiche identiche. Si noti che un'analisi spettrale dell'input e dell'output eseguita su un numero non intero di cicli periodici potrebbe portare a risultati fuorvianti dovuti all'effetto della perdita spettrale. In questo caso, il segnale è caratterizzato da una larghezza di banda del rumore più espressa alla frequenza fondamentale.

Inoltre, la magnitudine è circa il 90% del segnale correttamente elaborato. Per evitare perdite spettrali, è necessario applicare una procedura di windowing su qualsiasi segnale analizzato. Qui vengono mostrati spettri di analisi della risposta in frequenza alternati alla concentrazione misurati in condizioni voltastatiche e galvanostatiche nelle stesse condizioni stazionarie degli spettri di spettroscopia di impedenza elettrochimica.

Come osservato nella regione ad alta frequenza, gli spettri di analisi della risposta in frequenza alternati alla concentrazione voltastatica e galvanostatica non dimostrano alcuna sensibilità alla dinamica di carica/scarico a doppio strato. Gli spettri cFRA sono sensibili solo ai transitori legati ai fenomeni di trasporto di massa. Per evitare contributi indesiderati agli spettri valutati, misurare il potenziale cellulare in condizioni di stato quasi stazionario e campionare un numero sufficiente di periodo al fine di aumentare il rapporto segnale-rumore.

Quindi, oltre alla diagnostica, il funzionamento di celle a combustibile elettrochimiche e reattori in condizioni periodiche introduce ulteriori possibilità di influire sull'efficienza di conversione energetica e sulla selettività del prodotto dei processi elettrochimici.