Methodenartikel

Een gids voor de concentratie alternerende frequentierespons analyse van brandstofcellen

DOI:

10.3791/60129

⸱

11 december 2019

 ,  , 
1Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, 2Process Systems Engineering, Otto-von-Guericke University Magdeburg

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We presenteren een protocol voor de concentratie-alternerende frequentierespons analyse van brandstofcellen, een veelbelovende nieuwe methode voor het bestuderen van brandstofcel dynamica.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Er werd een experimentele opstelling gebruikt voor het genereren van een periodieke concentratie-input perturbatie van zuurstof, om de concentratie-alternerende frequentieresponsanalyse (cFRA) uit te voeren op de brandstofcellen van Proton-uitwisselings membraan (PEM). Tijdens cFRA-experimenten werd de gemoduleerde concentratie voeding op verschillende frequenties naar de kathode van de cel gezonden. De elektrische respons, die een celpotentiaal of stroom kan zijn afhankelijk van de controle die op de cel wordt toegepast, is geregistreerd om een overdrachtsfunctie voor frequentierespons te formuleren. In tegenstelling tot traditionele elektrochemische impedantie spectroscopie (EIS) maakt de novel cFRA-methodologie het mogelijk om de bijdrage van verschillende massatransport verschijnselen te scheiden van de kinetische overdrachtsprocessen in de frequentierespons spectra van de cel. Bovendien kan cFRA onderscheid maken tussen verschillende bevochtigings toestanden van de kathode. In dit protocol is de focus op de gedetailleerde beschrijving van de procedure voor het uitvoeren van cFRA-experimenten. De meest kritische stappen van de metingen en de toekomstige verbeteringen van de techniek worden besproken.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het karakteriseren van het dynamische gedrag van een PEM-brandstofcel is belangrijk om te begrijpen welke mechanismen de tijdelijke operationele toestanden domineren die de prestaties van de cel verlagen. Elektrochemische impedantie spectroscopie (eis) is de meest gebruikte methodologie voor het bestuderen van PEM-brandstofcel dynamica, vanwege zijn vermogen om verschillende proces bijdragen te scheiden van de totale dynamische prestaties1,2. Tijdelijke processen met vergelijkbare tijd constanten worden echter vaak gekoppeld in de EIS spectra, waardoor het moeilijk is om ze te interpreteren. Om deze reden zijn....

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. materiaal voorbereiding

  1. Knip en perforeren twee rechthoekige stukjes Teflon van dezelfde grootte als de eindplaten met behulp van een snij pers; Wees voorzichtig en zorg ervoor dat de gaten zich in de exacte positie bevinden waar de bouten moeten worden geplaatst.
  2. Met behulp van dezelfde procedure gesneden Teflon pakkingen rekening houdend met de buitenste en binnenste afmetingen van het stroom veld, en de positie van de gaten waar de schroeven moeten worden geplaatst.
  3. Snijd de gasdiffusie lagen met behulp van een metalen frame dat de grootte van de pakkingen past.
  4. Snijd de overtollige Nafion van het katalysator gecoate membr....

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De voorlopige analyse van de brandstofceldynamiek op basis van EIS Spectra wordt weergegeven in Figuur 2. EIS magnitude (Figuur 2A) en fase Bode plots (Figuur 2B) spectra worden gemeten bij drie verschillende steady state huidige dichtheden onder galvanostatische controle. Zoals verwacht worden alle belangrijke transiënte processen waargenomen: de dubbellaagse lading.......

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In tegenstelling tot klassiek EIS, is cFRA een diagnostisch hulpmiddel gericht op de karakterisering van dynamiek gerelateerd aan de verschillende massatransport verschijnselen die zich voordoen in de brandstofcel. Het is niet mogelijk om transiënten met een tijdconstante onder de zuurstofdiffusie in de elektrode te detecteren, zoals bijvoorbeeld het laden/ontladen van de dubbellaags6. Daarom, in tegenstelling tot EIS waar verschillende verschijnselen zijn gekoppeld, cFRA kan helpen om patronen me.......

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Max Planck Instituut voor dynamiek van complexe technische systemen bijgestaan in het voldoen aan de publicatiekosten van dit artikel.

....

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Membrane Electrode Assemby N115 25,8 cm2QuinTechEC-NM-115cathode/anode lading: 1mg Pt/cm2
PotentiostatMetrhohmPGSTAT302N
BoosterMetrohmBOOSTER20A
Intrekbare vezel zuurstofsensorPyro ScienceOXR430-UHS
Dauwpunt- en TemperatuurmeterVAISALADMT340
Software procescontrolesysteemSiemensSimatic PCS 7
Software MATLAB2012aMathworks
WaterstofLindeHydrogen 6.0
StikstofLindeNitrogen 5.0
ZuurstofLindeOxygen 5.0

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Niya, S. M. R., Hoorfar, M. Study o....

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Protonuitwisselingsmembraan brandstofcellenelektrochemische impedantiespectroscopiemassatransportverschijnselenladingsoverdrachtprocessenbevochtigingstoestanden van de kathodegalvanostatische regelingmodulatie van de zuurstofdruksignal windowing techniekfrequentieresponsespectra

Gerelateerde artikelen