Een gids voor de concentratie alternerende frequentierespons analyse van brandstofcellen

Brandstofcellen zullen in de toekomst een belangrijke rol spelen. Ons protocol beschrijft een nieuwe methode voor het diagnosticeren van belangrijke fail-toestanden van deze apparaten, zoals degradatie, overstromingen of vergiftiging. In tegenstelling tot andere technieken zoals elektrochemische impedantiespectroscopie, kan deze methode worden gebruikt om de impact van specifieke dynamiek op de prestaties van de polymeerbrandstofcel te ontkoppelen, waardoor een minder dubbelzinnige foutidentificatie wordt vergemakkelijkt.

De procedure zal worden aangetoond door Tobias Franz, een master student uit mijn laboratorium. Voor de assemblage van de brandstofcel, plaatst de kathodebipolaire plaat op een glad en stevig oppervlak met de kant van het stroomgebied omhoog en plaats de pakking bovenop de plaat uitgelijnd met de schroefgaten. Plaats de kathode gas diffusie laag in het midden van de pakking en voeg de katalysator gecoate membraan top uitgelijnd met de schroefgaten.

Plaats de anode gas diffusie laag en pakking op de top van de katalysator gecoate membraan ervoor te zorgen dat de pakking uitlijnt met de schroefgaten. Plaats de anode bipolaire plaat stroomveld kant naar beneden op de top van de pakking en bevestig de onderdelen samen met schroeven. Plaats vervolgens de kathode roestvrijstalen eindplaat op een glad en stevig oppervlak en plaats een rechthoekig stuk Teflon en een koperen stroomcollector bovenop de Teflon die beide stukken uitlijnt met de boutgaten.

Plaats de kathodezijde van de geassembleerde celeenheid op de kathodestroomcollector, rekening houdend met de inkepingen in de stroomvelden. Plaats de anodezijde van het apparaat op de anodestroomcollector met de Teflon pakkingen geplaatst met de anode roestvrijstalen eindplaat bovenop. Plaats de isolerende mouwen, O-ring en bouten in de gaten van de anodeeindplaat, draai de cel verticaal en plaats de isolerende mouwen, O-ring en moeren op de bouten aan de kathodezijde van het apparaat.

Gebruik vervolgens een koppelsleutel om de bouten dwars aan te draaien totdat de aanbevolen koppelwaarde van vijf Newtonmeters is bereikt, waardoor het koppel met één Newtonmeter per dwarscyclus wordt verhoogd. Voor de integratie van de brandstofcel met de periferie, plaats de brandstofcel eenheid in een verwarmingsbox en sluit de inhammen en uitgangen aan de periferie. Steek het thermokoppel in de kathodeeindplaat en koppel de brandstofcel met de potentiostat aan elektrodeconfiguratie.

Start de software die wordt gebruikt om de celperiferie te controleren en selecteer de waarden van de anode- en kathodeinlaatgasstroomsnelheden. Selecteer de temperatuur van de inlaatgassen. Zet de verwarmingsbanden aan en wacht tot de ingestelde temperatuur is bereikt.

Stel de temperaturen van de thermostaten in om de gewenste dauwpunttemperatuur van de inlaatgassen te definiëren en zet de thermostaten in. Stel de gekozen temperatuur van de brandstofcel in op het bedieningspaneel van de verwarmingsbox en zet de verwarming aan. Controleer bij het bereiken van de instelpunttemperatuur van de brandstofcel de bevochtigingstoestand van de inlaatgassen en controleer de open circuitcelpotentieel van de brandstofcel.

Voor het uitvoeren van een concentratie-afwisselende frequentierespons experiment, duw zachtjes op de zuiger van het bovenste deel van een vezel zuurstofsensor om het gevoelige deel van de vezel bloot. Plaats vervolgens de vezel in het midden van de slang bij de celinlaat. Open de sensorsoftware en stel het bemonsteringsinterval in op 0,15 seconden om de detectie van een periodiek signaal tot een periode van één hertz mogelijk te maken.

Open de elektrochemiesoftware om de concentratie-afwisselende frequentieresponsanalyseprocedure te bewerken en selecteer in de actiesectie nieuwe procedure. Selecteer in opdrachten het besturingselementpictogram en voeg het pictogram in de werkruimte in. Selecteer in eigenschappen de modus galvanostatic en de opdracht cel op opdracht om de opdracht naast het besturingselementpictogram te plaatsen.

Voeg de lineaire sweep voltammetrie trap commando van de meting cyclische en lineaire sweep voltammetrie. Stel in eigenschappen de beginstroom in op 0,0 ampère en de huidige stopwaarde op de steady state. Stel de scansnelheid in op 0,005 ampère per seconde en de stap op 0,1 ampère.

Twee recordsignaalopdrachten invoegen. Stel in eigenschappen de duur in op 7, 200 seconden en de intervalbemonsteringstijd op 0,5 seconden voor beide opdrachten. Houd er rekening mee dat het eerste opnamevenster wordt gebruikt om te controleren hoe het uitgangssignaal de periodieke steady state-omstandigheden benadert, terwijl de tweede het periodieke uitgangssignaal van de steady state registreert dat wordt geanalyseerd.

Voeg een herhalingsopdracht toe om dezelfde stap in te stellen die 20 keer moet worden herhaald. Druk op afspelen om het concentratie-afwisselende frequentieresponsprogramma te starten. Observeer in de eerste reeks herhalingen het opnamevenster om te controleren of het celpotentieel de steady state-waarde bereikt.

Open de extra zuurstofklep en stel de massastroomregelaar in op 5% van de waarde van de totale stroomsnelheid van de hoofdtoevoer. Stel de schakeltijd van de klep in op een initiële waarde van 0,5 seconden en klik op start. Wacht vervolgens tot het celpotentieel een periodieke stabiele toestand in het controlevenster bereikt voordat u op de volgende klikt.

Bemonstering van het potentieel onder quasi-stabiele toestand is noodzakelijk om artefact-vrije spectra te verkrijgen, aangezien de aanwezigheid van een driftsignaal tot misleidende conclusies kan leiden. Registreer het periodieke steady state signaal in het nieuwe opnamevenster gedurende 60 seconden en klik opnieuw. Registreer tegelijkertijd de periodieke zuurstoftoevoer en klik op start in de sensorsoftware.

Voer een naam in die de frequentie-invoer herinnert en klik op OK. Registreer vervolgens het signaal gedurende 60 seconden en klik op stop. Herhaal de vorige stappen, meet de periodieke input/output correlaties voor signalen met een periode in een frequentiebereik van acht tot 1.000 microhertz, terwijl het verwerven van acht frequentiepunten per decennium. Bij frequenties lager dan 100 microhertz, monster de signalen voor een bereik van de tijd gelijk aan vijf periodes.

Open de MATLAB-scripts FFT_input om de gegevens van de concentratie-afwisselende frequentierespons te analyseren. mat en FFT_output.mat. Voeg in de adresmap de specificaties in van de locatie van de map waarin de gemeten zuurstofdruk en de huidige gegevensbestanden worden opgeslagen.

Voer de FFT_po2. mat en FFT_pot. matscripts en controleer de uitgezette diagrammen om te bepalen of het berekende algoritme goed werkt.

Open en voer het MATLAB script uit cfra_spectra.mat. De omvang, fasehoek en Nyquist spectra van de concentratie-afwisselende frequentieresponsanalyse overdracht functie onder galvanostatische omstandigheden zal worden uitgezet. In deze representatieve analyse werden de elektrochemische impedantiespectroscopie magnitude en fase bode plotspectra voor het eerst gemeten bij drie verschillende steady state current densities onder galvanostatische controle.

Hier kunnen voorbeeldige periodieke zuurstofdrukingangen op twee verschillende frequenties en hun Fourier-transformaties worden waargenomen. De grootheden van de harmonischen werden genormaliseerd met betrekking tot de fundamentele harmonische en de druk input bij een 49 microhertz frequentie werd gekenmerkt door een sinusvormige vorm. De drukingang bij een lagere frequentie leek op een periodieke vierkante golfvorm en de bijbehorende genormaliseerde Fourier-transformatie weerspiegelde perfect dat van een vierkant golfsignaal dat dalende harmonische componenten presenteerde op meerdere oneven gehele frequenties met betrekking tot de fundamentele.

De cel potentiële reacties gepresenteerd identieke functies. Houd er rekening mee dat een spectrale analyse van de input en output die wordt uitgevoerd op een niet-geheel getal van periodieke cycli kan leiden tot misleidende resultaten als gevolg van het effect van de spectrale lekkage. In dit geval wordt het signaal gekenmerkt door een meer uitgedrukte ruisbandbreedte op fundamentele frequentie.

Bovendien is de omvang ongeveer 90% van het goed verwerkte signaal. Om de spectrale lekkage te voorkomen, moet een procedure van windowing worden toegepast op elk geanalyseerd signaal. Hier worden spectra met concentratie-wisselfrequentieresponsanalyse weergegeven die wordt gemeten onder voltastatische en galvanostatische omstandigheden onder dezelfde steady state omstandigheden als in de elektrochemische impedantie spectroscopie spectra.

Zoals waargenomen in het hoogfrequente gebied, tonen zowel voltastatische als galvanostatische concentratie-afwisselende frequentieresponsanalyse spectra geen gevoeligheid voor dubbele laag opladen/ontladen dynamiek. De cFRA spectra zijn alleen gevoelig voor voorbijgaande stoffen in verband met massatransport verschijnselen. Om ongewenste bijdragen aan de geëvalueerde spectra te voorkomen, meet u het celpotentieel onder quasi-steady state omstandigheden en bemonstert u een voldoende aantal perioden om de signaal-ruisverhouding te verhogen.

Dus naast diagnostiek, de werking van elektrochemische brandstofcellen en reactoren onder periodieke omstandigheden introduceert extra mogelijkheid om energie-conversie-efficiëntie en product selectiviteit van elektrochemische processen beïnvloeden.