Przewodnik po analizie odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe będą odgrywać ważną rolę w przyszłości. Nasz protokół opisuje nową metodę diagnozowania poważnych awarii tych urządzeń, takich jak degradacja, zalanie lub zatrucie. W przeciwieństwie do innych technik, takich jak na przykład elektrochemiczna spektroskopia impedancji, metodologia ta może być stosowana do rozłączania wpływu określonej dynamiki na osiągi polimerowych ogniw paliwowych, ułatwiając mniej jednoznaczną identyfikację usterek.

Procedura zostanie zademonstrowana przez Tobiasa Franza, mistrza z mojego laboratorium. W przypadku montażu ogniw paliwowych umieść dwubiegunową płytkę katodową na gładkiej i stabilnej powierzchni stroną skierowaną do pola przepływu do góry i umieść uszczelkę na górze płyty wyrównanej z otworami na. Umieść warstwę dyfuzyjną gazu katodowego na środku uszczelki i dodaj górną część membrany pokrytej katalizatorem wyrównaną z otworami na.

Umieść warstwę dyfuzyjną gazu anodowego i uszczelkę na membranie pokrytej katalizatorem, upewniając się, że uszczelka jest wyrównana z otworami na. Umieść anodę bipolarną stroną do pola przepływu płyty do dołu na górze uszczelki i przymocuj części razem za pomocą. Następnie umieść płytę końcową ze stali nierdzewnej katodowej na gładkiej i mocnej powierzchni i umieść prostokątny kawałek teflonu i miedziany kolektor prądu na wierzchu teflonu, wyrównując oba elementy z otworami na.

Umieścić stronę katodową zmontowanego ogniwa na kolektorze prądu katody, biorąc pod uwagę wcięcia w polach przepływu. Wsuń stronę anodową urządzenia na odbierak prądu anody z uszczelkami teflonowymi umieszczonymi z płytą końcową anody ze stali nierdzewnej na górze. Umieść tuleje izolacyjne, O-ring i w otworach płyty końcowej anody, obróć ogniwo do pionu i umieść tuleje izolacyjne, O-ring i nakrętki na po stronie katody urządzenia.

Następnie za pomocą klucza dynamometrycznego dokręć na krzyż, aż do osiągnięcia zalecanej wartości momentu obrotowego wynoszącej pięć niutonometrów, zwiększając moment obrotowy o jeden niutonometr na cykl poprzeczny. W celu zintegrowania ogniwa paliwowego z urządzeniem peryferyjnym należy umieścić ogniwo paliwowe w skrzynce grzewczej i podłączyć wloty i wyloty do urządzenia peryferyjnego. Włóż termoparę do płyty końcowej katody i połącz ogniwo paliwowe z potencjostatem do konfiguracji elektrody.

Uruchom oprogramowanie służące do sterowania obwodem ogniwa i wybierz wartości natężeń przepływu gazu wlotowego anody i katody. Wybierz temperaturę gazów wlotowych. Włącz taśmy grzewcze i poczekaj, aż zostanie osiągnięta zadana temperatura.

Ustaw temperatury termostatów, aby określić żądaną temperaturę punktu rosy gazów wlotowych i włącz termostaty. Ustaw wybraną temperaturę ogniwa paliwowego na panelu sterowania skrzynki grzewczej i włącz ogrzewanie. Po osiągnięciu temperatury zadanej ogniwa paliwowego należy sprawdzić stan nawilżenia gazów wlotowych i sprawdzić potencjał ogniwa otwartego obwodu paliwowego.

Aby przeprowadzić eksperyment z reakcją częstotliwościową o zmiennym stężeniu, delikatnie naciśnij tłok górnej części światłowodowego czujnika tlenu, aby odsłonić wrażliwą część światłowodu. Następnie umieść włókno na środku rurki na wlocie komórki. Otwórz oprogramowanie czujnika i ustaw interwał próbkowania na 0,15 sekundy, aby umożliwić wykrywanie sygnału okresowego do jednego herca.

Otwórz oprogramowanie elektrochemiczne, aby edytować procedurę analizy odpowiedzi częstotliwościowej o zmiennym stężeniu, a następnie w sekcji akcji wybierz nową procedurę. W poleceniach wybierz ikonę kontrolki i wstaw ikonę do obszaru roboczego. We właściwościach wybierz tryb na galwanostatyka i komórkę na polecenie, umieszczając polecenie obok ikony kontrolki.

Dodać polecenie schodów woltamperometrii liniowej przeciągnięcia z pomiaru cyklicznego i woltamperometrii liniowej. W obszarze właściwości ustaw prąd rozruchowy na 0,0 amperów, a wartość prądu zatrzymania na stan ustalony. Ustaw szybkość skanowania na 0,005 ampera na sekundę, a krok na 0,1 ampera.

Wstaw dwa polecenia sygnału nagrywania. We właściwościach ustaw czas trwania na 7 200 sekund, a czas próbkowania interwału na 0,5 sekundy dla obu poleceń. Należy pamiętać, że pierwsze okno nagrywania służy do monitorowania, w jaki sposób sygnał wyjściowy zbliża się do okresowych warunków stanu ustalonego, podczas gdy drugie służy do rejestrowania okresowego sygnału wyjściowego w stanie ustalonym, który jest analizowany.

Dodaj polecenie powtórzenia, aby ustawić ten sam krok do powtórzenia 20 razy. Naciśnij przycisk odtwarzania, aby uruchomić program odpowiedzi częstotliwościowej o zmiennym stężeniu. W pierwszym zestawie powtórzeń obserwuj okno nagrywania, aby sprawdzić, czy potencjał komórki osiąga wartość stanu ustalonego.

Aby zapewnić odpowiedź liniową, otwórz dodatkowy zawór tlenu i ustaw regulator przepływu masowego na 5% wartości całkowitego natężenia przepływu głównego zasilania. Ustaw czas przełączania zaworu na wartość początkową 0,5 sekundy i kliknij start. Następnie poczekaj, aż potencjał komórki osiągnie okresowy stan ustalony w oknie monitorowania, zanim klikniesz Dalej.

Próbkowanie potencjału w warunkach quasi-ustalonego stanu jest konieczne do uzyskania widm wolnych od artefaktów, ponieważ obecność sygnału dryfującego może prowadzić do mylących wniosków. Zarejestruj okresowy sygnał stanu ustalonego w nowym oknie nagrywania na 60 sekund i ponownie kliknij przycisk Dalej. W tym samym czasie zarejestruj okresowy dopływ tlenu i kliknij start w oprogramowaniu czujnika.

Wprowadź nazwę, która przywołuje częstotliwość wejściową i kliknij przycisk OK. Następnie zarejestruj sygnał na 60 sekund i kliknij stop. Powtarzając poprzednie kroki, zmierz okresowe korelacje wejścia/wyjścia dla sygnałów z okresem w zakresie częstotliwości od ośmiu do 1 000 mikroherców, uzyskując osiem punktów częstotliwości na dekadę. Przy częstotliwościach niższych niż 100 mikroherców próbkuj sygnały przez okres czasu odpowiadający pięciu okresom.

Aby przeanalizować dane odpowiedzi częstotliwościowej o zmiennym stężeniu, otwórz skrypty MATLAB FFT_input. mat i FFT_output.mat. W folderze adresowym należy wstawić specyfikacje lokalizacji folderu, w którym przechowywane są pliki z zmierzonym ciśnieniem tlenu i aktualnymi danymi.

Uruchom skrypty FFT_po2. mat i FFT_pot. mat i sprawdź wykreślone diagramy, aby określić, czy obliczony algorytm działa poprawnie.

Następnie otwórz i uruchom skrypt MATLAB cfra_spectra.mat. Na wykresie zostanie wykreślona wielkość, kąt fazowy i widma Nyquista funkcji przenoszenia analizy odpowiedzi częstotliwościowej o zmiennym stężeniu w warunkach galwanostatycznych. W tej reprezentatywnej analizie najpierw zmierzono wielkość spektroskopii impedancji elektrochemicznej i widma wykresu bode'a fazowego przy trzech różnych gęstościach prądu w stanie ustalonym pod kontrolą galwanostatyczną.

Można tu zaobserwować przykładowe okresowe wejścia ciśnienia tlenu przy dwóch różnych częstotliwościach i ich transformaty Fouriera. Wielkości harmonicznych zostały znormalizowane w odniesieniu do harmonicznej podstawowej, a ciśnienie wejściowe przy częstotliwości 49 mikroherców charakteryzowało się sinusoidalnym kształtem. Ciśnienie wejściowe o niższej częstotliwości przypominało kształt okresowej fali prostokątnej, a związana z nią znormalizowana transformata Fouriera doskonale odzwierciedlała sygnał fali prostokątnej prezentujący opadające składowe harmoniczne o wielu nieparzystych częstotliwościach całkowitych w stosunku do podstawowej.

Odpowiedzi potencjału komórkowego wykazywały identyczne cechy. Należy zauważyć, że analiza spektralna danych wejściowych i wyjściowych przeprowadzona na liczbie cykli okresowych niebędących liczbami całkowitymi może prowadzić do mylących wyników ze względu na efekt wycieku widmowego. W tym przypadku sygnał charakteryzuje się bardziej wyrażoną szerokością pasma szumów przy częstotliwości podstawowej.

Dodatkowo wielkość wynosi około 90% prawidłowo przetworzonego sygnału. Aby uniknąć wycieku widmowego, na każdym analizowanym sygnale należy zastosować procedurę okienkowania. Przedstawiono tu widma analizy odpowiedzi częstotliwościowej o zmiennym stężeniu mierzone w warunkach woltastatycznych i galwanostatycznych w tych samych warunkach stanu ustalonego, co w widmach elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej.

Jak zaobserwowano w obszarze wysokich częstotliwości, zarówno widma analizy odpowiedzi częstotliwościowej o zmiennym stężeniu stężenia woltastatycznego, jak i galwanostatycznym nie wykazują wrażliwości na dynamikę ładowania/rozładowywania dwuwarstwowej. Widma cFRA są wrażliwe tylko na stany nieustalone związane ze zjawiskami transportu masowego. Aby uniknąć niepożądanego wpływu na oceniane widma, należy zmierzyć potencjał komórki w warunkach quasi-ustalonego stanu i pobrać próbkę przez wystarczającą liczbę okresów, aby zwiększyć stosunek sygnału do szumu.

Tak więc poza diagnostyką, eksploatacja elektrochemicznych ogniw i reaktorów paliwowych w warunkach okresowych stwarza dodatkowe możliwości wpływania na efektywność konwersji energii, a także na produktową selektywność procesów elektrochemicznych.