Name: Przewodnik po analizie odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń ogniw paliwowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-12-11T17:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 18 s
Description: Poznaj nową metodę analizy odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń do diagnostyki ogniw paliwowych. Technika ta pozwala wyraźniej identyfikować uszkodzenia, takie jak degradacja, zalanie czy zatrucie, poprzez rozdzielenie specyficznych dynamik wpływających na wydajność.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Instytut Dynamiki Złożonych Systemów Technicznych im. Maxa Plancka pomógł w pokryciu kosztów publikacji tego artykułu.

1. Przygotowanie materiałów
<ol>
	<li>Wyciąć i przedziurawić dwa prostokątne kawałki teflonu o rozmiarach odpowiadających płytom końcowym za pomocą prasy tnącej; należy zadbać o to, aby otwory znajdowały się dokładnie w miejscach, w których mają zostać umieszczone śruby.</li>
	<li>Stosując tę samą procedurę, wyciąć uszczelki teflonowe, uwzględniając wymiary zewnętrzne i wewnętrzne pola przepływu oraz położenie otworów na śruby.</li>
	<li>Wyciąć warstwy dyfuzyjne gazu, używając metalowej ramki dopasowanej do rozmiaru uszczelek.</li>
	<li>Odciąć nadmiar Nafionu z membrany pokrytej katalizatorem (CCM), aby dopasować ją do rozmiaru płyt bipolarnych. Wykonać otwory w membranie w miejscach, przez które mają przejść śruby, z pomocą wcześniej używanej metalowej ramki. Należy zadbać o to, aby ramka była wycentrowana przed wykonaniem otworów.</li>
</ol>
2. Montaż ogniwa paliwowego
<ol>
	<li>Umieść bipolarną płytę katody na gładkiej i stabilnej powierzchni stroną z polem przepływu do góry.</li>
	<li>Na górze umieść uszczelkę. Upewnij się, że jest ona dopasowana do otworów na śruby.</li>
	<li>Umieść GDL katody na środku uszczelki, a na niej połóż CCM. Upewnij się, że CCM jest dopasowane do otworów na śruby.</li>
	<li>Na górze umieść GDL anody oraz uszczelkę. Upewnij się, że uszczelka jest dopasowana do otworów na śruby, a GDL znajduje się na środku.</li>
	<li>Na górze umieść bipolarną płytę anody (stroną z polem przepływu do dołu) i użyj śrub, aby zaciągnąć części. 
	UWAGA: Płyty bipolarne nie mogą być mocno dokręcone. Celem śrub jest jedynie utrzymanie wyrównania poszczególnych części.</li>
	<li>Umieść stalową płytę końcową katody na gładkiej i stabilnej powierzchni.</li>
	<li>Na górze umieść prostokątny element teflonowy oraz miedziany kolektor prądu. Upewnij się, że są one dopasowane do otworów na śruby.</li>
	<li>Wsuń stronę katody zespołu ogniwa złożonego w kroku 2.1 na kolektor prądu katody, uwzględniając nacięcia w polach przepływu.</li>
	<li>Wsuń stronę anody zespołu na kolektor prądu anody, umieść uszczelki teflonowe i zakończ montaż, kładąc na górze stalową płytę końcową anody.</li>
	<li>W otwory płyt końcowych anody włóż tuleje izolacyjne, pierścień O-ring oraz śruby; wprowadź śruby do otworów.</li>
	<li>Ustaw tuleje izolacyjne i pierścień O-ring; zakończ proces, nakładając nakrętki na śruby po stronie katody.</li>
	<li>Dokręć śruby na krzyż za pomocą klucza dynamometrycznego, aż osiągniesz zalecaną wartość momentu obrotowego 5 N·m. Sugeruje się wykonanie 5 cykli dokręcania na krzyż; zacznij od niskiej wartości momentu (1 N·m) i zwiększaj ją o 1 N·m w każdym kolejnym cyklu.</li>
</ol>
3. Integracja ogniwa paliwowego z układem peryferyjnym
<ol>
	<li>Umieść ogniwo paliwowe w komorze grzewczej i podłącz wloty oraz wyloty do układu peryferyjnego. Użyj płynu detekcyjnego (Snoop), aby sprawdzić szczelność połączeń.</li>
	<li>Wprowadź termoparę do płyty końcowej katody.</li>
	<li>Podłącz ogniwo paliwowe do potencjostatu; wybierz konfigurację dwuelektrodową. Podłącz kable oznaczone jako RE i CE do strony anody, a kable oznaczone jako WE i SE do strony katody.</li>
	<li>Uruchom oprogramowanie sterujące układem peryferyjnym ogniwa; wyświetlony zostanie schemat układu eksperymentalnego (patrz schemat na Rysunku 1). Wybierz wartości natężeń przepływu gazów wlotowych dla anody i katody, a następnie otwórz zawory. W eksperymentach przedstawionych w niniejszym protokole zastosowano natężenia przepływu odpowiednio 850, 300 i 300 mL/min dla wodoru (strona anody), azotu i tlenu (strona katody).</li>
	<li>Wybierz temperaturę gazów wlotowych i włącz opaski grzewcze. Odczekaj, aż zostanie osiągnięta temperatura zadana. we wszystkich eksperymentach w tym protokole temperatura zadana gazów wlotowych po stronie anody i katody wynosiła 68 °C.</li>
	<li>Ustaw temperatury termostatów, aby zdefiniować pożądaną temperaturę punktu rosy gazów wlotowych; włącz termostaty.</li>
	<li>Ustaw wybraną temperaturę ogniwa paliwowego na panelu sterowania komory grzewczej. Następnie włącz grzanie. W eksperymentach opisanych w tym protokole ustawiono temperaturę ogniwa paliwowego na 80 °C.</li>
	<li>Odczekaj, aż zostanie osiągnięta temperatura zadana ogniwa paliwowego; sprawdź stopień nawilżenia gazów wlotowych; sprawdź potencjał obwodu otwartego ogniwa paliwowego. Wartość potencjału obwodu otwartego na wyświetlaczu potencjostatu powinna mieścić się w zakresie od 1 do 1,2 V.</li>
</ol>
4. Procedura uruchamiania ogniwa paliwowego
UWAGA: Procedura opisana w następnej sekcji wykorzystuje konkretny program komputerowy i potencjostat (Autolab N104, oprogramowanie NOVA 2.0). Można ją jednak przeprowadzić przy użyciu innego oprogramowania i potencjostatów bez zmiany głównych wyników. Procedurę rozruchu należy przeprowadzić w przypadku użycia nowej CCM.
<ol>
	<li>Uruchom oprogramowanie Autolab NOVA 2.0.
	<ol>
		<li>W sekcji Action oprogramowania wybierz New Procedure; otworzy się strona edycji procedury.</li>
		<li>W sekcji Command kliknij ikonę Autolab Control; przeciągnij ikonę Autolab Control do sekcji obszaru roboczego. Następnie w sekcji Properties wybierz Mode On Potentiostatic. 
		UWAGA: Oprogramowanie Autolab NOVA 2.0 nie rozróżnia terminów potencjostatyczny i woltamperometryczny.</li>
		<li>W sekcji Command wybierz ikonę Cell i umieść ją obok ikony Autolab Control. Następnie w sekcji Properties wybierz Cell On. Dodaj ikonę Apply i w sekcji Properties ustaw 0,9 V jako Potential ogniwa względem elektrody odniesienia.</li>
		<li>Dodaj polecenie Wait i ustaw Duration na 1800 s.</li>
		<li>Dodaj polecenie LSV Staircase z sekcji Measurement Cyclic and Linear Sweep Voltammetry. Ustaw Start Potential na 0,9 V, Stop Potential na 0,6 V, prędkość skanowania na 0,4 mV/s oraz Step na 0,244 mV.</li>
		<li>Dodaj polecenie Wait i ustaw Duration na 1800 s.</li>
		<li>Dodaj polecenie LSV Staircase z sekcji Measurement Cyclic and Linear Sweep Voltammetry. Ustaw Start Potential na 0,6 V, Stop Potential na 0,9 V, prędkość skanowania na 0,4 mV/s oraz Step na 0,244 mV.</li>
		<li>Dodaj polecenie Repeat. W obszarze roboczym zaznacz polecenia od kroku 4.1.4 (pierwsze polecenie Wait) do kroku 4.1.7 (ostatnie polecenie LSV Staircase); przeciągnij i upuść ikony do pola Repeat. W sekcji Properties ustaw liczbę powtórzeń na 20.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uruchom procedurę rozruchu ogniwa, klikając przycisk Play.</li>
	<li>Po 2 h, jeśli prąd jest stabilny przy 0,6 V, zatrzymaj program, naciskając przycisk Stop. Jeśli prąd nadal ulega zmianom, pozwól programowi działać aż do jego zakończenia.</li>
</ol>
5. Eksperyment galwanostatycznej spektroskopii impedancyjnej
<ol>
	<li>Uruchom oprogramowanie Autolab NOVA 2.0.
	<ol>
		<li>W sekcji Action oprogramowania wybierz New Procedure; otworzy się strona edycji procedury.</li>
		<li>W sekcji Command kliknij ikonę Autolab Control; przeciągnij i upuść ikonę Autolab Control do sekcji obszaru roboczego. Następnie w sekcji Properties wybierz Mode On Galvanostatic.</li>
		<li>Dodaj polecenie Cell On.</li>
		<li>Dodaj polecenie LSV Staircase. W sekcji Properties ustaw Start Current na 0 A, wybrany prąd stanu stacjonarnego jako Stop Current, Scan Rate na 0,005 A/s oraz Step na 0,01 A.</li>
		<li>Wstaw polecenie Record Signal; w sekcji Properties ustaw Duration na 7200 s oraz Interval Sampling Time na 0,1 s.</li>
		<li>Wstaw okno polecenia FRA measurement. W sekcji Properties ustaw First applied frequency na 1000 Hz, Last applied frequency na 0,01 Hz oraz Number of frequencies per decade na 5. Ustaw Amplitude na 5% prądu stanu stacjonarnego.</li>
		<li>Dodaj polecenie Cell Off.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uruchom program galwanostatycznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) ogniwa, naciskając przycisk Play.</li>
	<li>Obserwując zmiany w oknie rejestracji, poczekaj, aż wartość potencjału ogniwa się ustabilizuje. Następnie kliknij przycisk Forward, aby rozpocząć eksperyment EIS.</li>
	<li>Monitoruj stabilność systemu podczas eksperymentu i poczekaj do zakończenia programu.</li>
</ol>
6. Eksperyment odpowiedzi częstotliwościowej przy naprzemiennych stężeniach
UWAGA: Poniższe instrukcje opisują procedurę przeprowadzania eksperymentów cFRA w warunkach galwanostatycznych. Procedura ta nie różniłaby się jednak w przypadku przeprowadzania eksperymentów cFRA w warunkach woltanostatycznych, z wyjątkiem zmiany sterowania z galwanostatycznego na potencjostatyczne w oprogramowaniu oraz ustalenia określonego potencjału ogniwa jako stanu stacjonarnego zamiast natężenia prądu.
<ol>
	<li>Przygotuj światłowodowy czujnik tlenu Pyro do szybkich pomiarów dynamicznych.
	<ol>
		<li>Delikatnie naciśnij tłok w górnej części światłowodowego czujnika tlenu Pyro, aby wysunąć czułą część światłowodu z igły ochronnej i umieścić ją w centrum rurki przy wlocie do ogniwa.</li>
		<li>Uruchom oprogramowanie Pyro.</li>
		<li>Kliknij Options | Advance i wybierz Enable Fast Sampling.</li>
		<li>Ustaw Sampling Interval na 0,15 s.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zredaguj procedurę cFRA za pomocą oprogramowania Autolab NOVA 2.0.
	<ol>
		<li>Otwórz oprogramowanie NOVA i wybierz New Procedure w sekcji Action; otworzy się strona edycji oprogramowania.</li>
		<li>W sekcji Commands wybierz ikonę Control i wstaw ją do obszaru roboczego. W Properties wybierz Mode On Galvanostatic. Następnie wybierz komendę Cell On i umieść ją obok ikony Control.</li>
		<li>Dodaj komendę LSV Staircase z sekcji Measurement Cyclic and Linear Sweep Voltammetry. W Properties ustaw Start Current na 0,0 A; jako Stop current ustaw wartość prądu stanu stacjonarnego, przy której ma być przeprowadzony eksperyment cFRA. Następnie ustaw Scan Rate na 0,005 A/s oraz Step na 0,01 A.</li>
		<li>Wstaw dwie komendy Record Signal; w Properties ustaw Duration na 7200 s oraz Interval Sampling Time na 0,05 s. Powtórz ten krok 20 razy, dodając komendę Repetition. Liczba powtórzeń musi odpowiadać liczbie częstotliwości sygnałów, które wymagają pomiaru. 
		UWAGA: Dwa okna rejestracji sygnału są wygodne z następujących powodów: jedno okno rejestracyjne służy do monitorowania części przejściowej okresowego sygnału wyjściowego, podczas gdy drugie służy do rejestrowania części stanu stacjonarnego okresowego sygnału wyjściowego. Część stanu stacjonarnego sygnału jest wykorzystywana do wyznaczenia funkcji przejścia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Naciśnij przycisk Play, aby uruchomić program cFRA.</li>
	<li>W pierwszym zestawie powtórzeń sprawdź w oknie rejestracji, czy potencjał ogniwa osiągnął wartość stanu stacjonarnego.</li>
	<li>Otwórz dodatkowy zawór tlenowy i ustaw kontroler przepływu masowego na 5% całkowitego natężenia przepływu głównego zasilania, aby zapewnić liniową odpowiedź (przykład: ustaw 30 mL/min przy całkowitym przepływie 600 mL/min). Następnie ustaw czas przełączania zaworu na wartość początkową 0,5 s. Naciśnij przycisk Start sterowania przełączaniem.</li>
	<li>Monitoruj okno rejestracji i czekaj, aż potencjał ogniwa osiągnie okresowy stan stacjonarny; następnie kliknij przycisk Next.</li>
	<li>Zarejestruj sygnał okresowego stanu stacjonarnego w nowym oknie rejestracji przez 60 s. Następnie ponownie kliknij przycisk Next.</li>
	<li>Równocześnie z poprzednim krokiem 6.7 zarejestruj okresowy dopływ tlenu. Wybierz przycisk Start w oprogramowaniu czujnika, wprowadź nazwę przypominającą wartość częstotliwości wejściowej (przykład: 1 Hz) i kliknij OK. Zarejestruj sygnał przez 60 s, analogicznie jak w przypadku wyjściowego prądu, i naciśnij przycisk Stop.</li>
	<li>Powtórz poprzednie kroki 6.6-6.8 dla zwiększających się wartości czasu przełączania, aby zmierzyć korelacje wejście/wyjście okresowe dla zakresu częstotliwości od 8-1000 mHz, przyjmując 8 punktów częstotliwości na dekadę. Dla eksperymentów przy częstotliwości wyższej niż 100 mHz rejestruj wejście i wyjście przez 60 s. Przy niższych częstotliwościach próbkuj sygnały przez przedział czasowy odpowiadający 5 okresom.</li>
</ol>
7. Analiza danych cFRA
<ol>
	<li>Eksportuj zmierzone odpowiedzi potencjału ogniwa z oprogramowania Autolab NOVA 2.0.
	<ol>
		<li>W oknie rejestracji kliknij na wykres z zmierzonym wyjściem okresowego stanu stacjonarnego potencjału ogniwa.</li>
		<li>Kliknij przyciski Show Data | Key | Export. Wprowadź nazwę pliku przywołującą częstotliwość wejścia (Przykład: 1 Hz) i kliknij Save.</li>
		<li>Powtórz kroki 7.1.1-7.1.2 dla każdego zmierzonego wyjścia potencjału ogniwa przy każdej częstotliwości.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Otwórz skrypty Matlab FFT_input.mat oraz FFT_output.mat. W sekcji Address Folder wprowadź dane określające lokalizację folderu, w którym przechowywane są pliki danych zmierzonego ciśnienia tlenu i prądu. 
	UWAGA: Skrypt został napisany w celu wykonania okienkowania zebranych danych wejściowych, aby uzyskać całkowitą liczbę cykli okresowych do analizy oraz dokładnie i szybko obliczyć ich transformaty Fouriera. Każda inna procedura wykonująca to samo zadanie nie zmienia wyników.</li>
	<li>Uruchom skrypty FFT_PO2.mat oraz FFT_Pot.mat; sprawdź na wykreślonych diagramach, czy obliczony algorytm działa prawidłowo (w dziedzinie czasu z oryginalnych próbek wejściowych i wyjściowych powinna zostać wyodrębniona całkowita liczba cykli wejściowych i wyjściowych). 
	OSTROŻNIE: Transformata Fouriera oparta na niecałkowitej liczbie cykli okresowych może prowadzić do błędnej analizy wejść i wyjść, co skutkuje niedokładnymi widmami cFRA.</li>
	<li>Otwórz skrypt Matlab cFRA_spectra.mat i uruchom go. Wykreślone zostaną widma amplitudy, kąta fazowego i Nyquista funkcji przejścia cFRA w warunkach galwanostatycznych. 
	UWAGA: Skrypt oblicza funkcję przejścia cFRA, wykorzystując wartości transformaty Fouriera dla częstotliwości podstawowej sygnału ciśnienia tlenu (wejścia) i potencjału ogniwa (wyjścia) zgodnie z poniższym równaniem. 
<img src="/files/ftp_upload/60129/60129eq1.jpg" alt="Wzór na stosunek impedancji akustycznej, ζI_O2=V̂(2πf_fund)/P̂_O2(2πf_fund), równanie fizyczne." data-altupdatedat="1788282455000"></li>
</ol>

<ol><li>Yuan, X., Wang, H., Sun, J. C., Zhang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AC+impedance+technique+in+PEM+fuel+cell+diagnosis+-+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">AC impedance technique in PEM fuel cell diagnosis - a review.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 32 (7), 4365-4380 (2007).</li>
<li>Niya, S. M. R., Hoorfar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Study+of+proton+exchange+membrane+fuel+cells+using+electrochemical+impedance+spectroscopy+technique+-+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Study of proton exchange membrane fuel cells using electrochemical impedance spectroscopy technique - a review.</a> Journal of Power Sources. 240 (8), 281-293 (2013).</li>
<li>Niroumand, A. M., Merida, W., Eikerling, M., Safi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pressure+voltage+oscillations+as+diagnostic+tool+for+PEFC+cathode%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochemistry+Communications%22%5BJournal%5D)">Pressure voltage oscillations as diagnostic tool for PEFC cathode.</a> Electrochemistry Communications. 12 (1), 122-124 (2010).</li>
<li>Engebretsen, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electro-thermal+impedance+spectroscopy+applied+to+an+open-cathode+polymer+electrolyte+fuel+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Electro-thermal impedance spectroscopy applied to an open-cathode polymer electrolyte fuel cell.</a> Journal of Power Sources. 302, 210-214 (2014).</li>
<li>Engebretsen, E., Mason, T. J., Shearing, P. R., Hinds, G., Brett, D. J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+pressure+impedance+spectroscopy+applied+to+the+study+of+polymer+electrolyte+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochemistry+Communications%22%5BJournal%5D)">Electrochemical pressure impedance spectroscopy applied to the study of polymer electrolyte fuel cells.</a> Electrochemistry Communications. 75, 60-63 (2016).</li>
<li>Sorrentino, A., Vidaković-Koch, T., Hanke-Rauschenbach, R., Sundmacher, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Concentration+frequency+response+analysis%3A+A+new+method+for+studying+polymer+electrolyte+membrane+fuel+cell+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Concentration frequency response analysis: A new method for studying polymer electrolyte membrane fuel cell dynamics.</a> Electrochimica Acta. 243, 53-64 (2017).</li>
<li>Sorrentino, A., Vidaković-Koch, T., Sundmacher, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studying+mass+transport+dynamics+in+polymer+electrolyte+membrane+fuel+cells+using+concentration-alternating+frequency+response+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Studying mass transport dynamics in polymer electrolyte membrane fuel cells using concentration-alternating frequency response analysis.</a> Journal of Power Sources. 412, 331-335 (2019).</li>
<li>Pivac, I., Barbir, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inductive+phenomena+at+low+frequencies+in+impedance+spectra+of+proton+exchange+membrane+fuel+cells-A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Inductive phenomena at low frequencies in impedance spectra of proton exchange membrane fuel cells-A review.</a> Journal of Power Sources. 326, 112-119 (2016).</li>
<li>Benziger, J., Chia, J. E., Kimbal, E., Kevrekidis, I. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reaction+Dynamics+in+a+Parallel+Flow+Channel+PEM+Fuel+Cell%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Reaction Dynamics in a Parallel Flow Channel PEM Fuel Cell.</a> Journal of Electrochemical Society. 154, B835-B844 (2007).</li>
<li>Rannow, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Achieving+Efficient+Control+of+Hydraulic+Systems+Using+On%2FOff+Valves%5BTitle%5D)+AND+%22Doctoral+Dissertation%22%5BJournal%5D)">Achieving Efficient Control of Hydraulic Systems Using On/Off Valves.</a> Doctoral Dissertation. , University of Minnesota. (2016).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

W przeciwieństwie do klasycznej EIS, cFRA jest narzędziem diagnostycznym skoncentrowanym na charakterystyce dynamiki związanej z różnymi zjawiskami transportu masy występującymi w ogniwie paliwowym. Nie jest ono w stanie wykryć stanów przejściowych o stałej czasowej krótszej niż dyfuzja tlenu w elektrodzie, jak na przykład ładowanie/rozładowywanie warstwy podwójnej6. Dlatego, w przeciwieństwie do EIS, gdzie wiele zjawisk jest ze sobą sprzężonych, cFRA może pomóc w wyraźniejszej identyfikacji wzorc...

Scharakteryzowanie dynamicznego zachowania ogniwa paliwowego PEM jest ważne, aby zrozumieć, które mechanizmy dominują nad przejściowymi stanami operacyjnymi, obniżając wydajność ogniwa. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) jest najczęściej stosowaną metodologią badania dynamiki ogniw paliwowych PEM, ze względu na jej zdolność do oddzielania różnych czynników wpływających na ogólną wydajność dynamiczną1,2. Jednak procesy przejściowe o podobnych stałych czasowych są często sprzężone w widmach EIS, co utrudnia ich interpretację. Z tego powodu w przeszłości opracowano i zaproponowano przejściowe narzędzia diagnostyczne oparte na zastosowaniu nieelektrycznych danych wejściowych w celu wykrycia wpływu kilku lub pojedynczych dynamik3,4,5,6,7.
W naszej grupie opracowano nowatorską technikę odpowiedzi częstotliwościowej opartą na stężeniu, perturbacji, danych wejściowych i elektrycznych, zwaną analizą odpowiedzi częstotliwościowej o zmiennym stężeniu (cFRA). Potencjał cFRA jako selektywnego narzędzia diagnostycznego został zbadany teoretycznie i eksperymentalnie6,7. Stwierdzono, że cFRA może rozdzielać różne rodzaje zjawisk transportu masowego i rozróżniać różne stany pracy komórki. W tym protokole skupiamy się na opisie krok po kroku procedury przeprowadzania eksperymentów cFRA. Montaż komórki, jej kondycjonowanie i eksperymentalne ustawienie do tworzenia paszy z okresowymi zaburzeniami stężenia, a także analiza danych zostaną pokazane i szczegółowo omówione. Na koniec podkreślone zostaną najbardziej krytyczne punkty procedury i wskazanych zostanie kilka strategii poprawy jakości i selektywności widm cFRA.

<table><tbody><tr><td>Zespół elektrody membranowej N115 25,8 cm2</td><td>QuinTech</td><td>EC-NM-115</td><td>kątowanie katody/anody: 1mg Pt/cm2</td></tr><tr><td>Potencjostat</td><td>Metrhohm</td><td>PGSTAT302N</td><td></td></tr><tr><td>Booster</td><td>Metrohm</td><td>BOOSTER20A</td><td></td></tr><tr><td>Chowany światłowodowy czujnik tlenu</td><td>Pyro Science</td><td>OXR430-UHS</td><td></td></tr><tr><td>Miernik punktu rosy i temperatury</td><td>VAISALA</td><td>DMT340</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie systemu sterowania procesami</td><td>Siemens</td><td>Simatic PCS 7</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie MATLAB2012a</td><td>Mathworks</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wodór</td><td>Linde</td><td>Wodór 6.0</td><td></td></tr><tr><td>Azot</td><td>Linde</td><td>Azot 5.0</td><td></td></tr><tr><td>Tlen</td><td>Linde</td><td>Tlen 5.0</td><td></td></tr></tbody></table>

przewodnik po analizie odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń ogniw paliwowych

A Guide to Concentration Alternating Frequency Response Analysis of Fuel Cells

Eksperymentalny układ zdolny do generowania okresowych zaburzeń wejściowych stężenia tlenu został wykorzystany do przeprowadzenia analizy odpowiedzi częstotliwościowej o zmiennym stężeniu (cFRA) na ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEM). Podczas eksperymentów z cFRA sygnał o modulowanym stężeniu był wysyłany do katody ogniwa o różnych częstotliwościach. Odpowiedź elektryczna, która może być potencjałem ogniwa lub prądem w zależności od sterowania zastosowanego na ogniwie, została zarejestrowana w celu sformułowania funkcji przenoszenia odpowiedzi częstotliwościowej. W przeciwieństwie do tradycyjnej elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS), nowatorska metodologia cFRA umożliwia oddzielenie udziału różnych zjawisk transportu masy od procesów przenoszenia ładunku kinetycznego w widmach odpowiedzi częstotliwościowej ogniwa. Co więcej, cFRA jest w stanie rozróżnić różne stany nawilżenia katody. W niniejszym protokole nacisk kładziony jest na szczegółowy opis procedury przeprowadzania eksperymentów cFRA. Omówiono najważniejsze etapy pomiarów i przyszłe ulepszenia techniki.

Wstępna analiza dynamiki ogniwa paliwowego na podstawie widm EIS została przedstawiona na Rysunku 2. Widma modułu (Rysunek 2A) i fazy (Rysunek 2B) na wykresach Bode zmierzono dla trzech różnych gęstości prądu stanu stacjonarnego przy sterowaniu galwanostatycznym. Zgodnie z oczekiwaniami zaobserwowano wszystkie główne procesy przejściowe: ładowanie/rozładowanie warstw...

Przedstawiamy protokół analizy odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń ogniw paliwowych, obiecującą nową metodę badania dynamiki ogniw paliwowych.

Przewodnik po analizie odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń ogniw paliwowych

An experimental setup capable of generating a periodic concentration input perturbation of oxygen was used to perform concentration-alternating frequency ...

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.

a-guide-to-concentration-alternating-frequency-response-analysis-fuel

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Prezentujemy unikalną platformę do charakteryzowania powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC), która umożliwia jednoczesne wykonywanie wielu technik charakteryzacji (np. spektroskopia Ramana in situ i mikroskopia z sondą skaningową wraz z pomiarami elektrochemicznymi). Uzupełniające informacje uzyskane dzięki tym analizom mogą pomóc w lepszym zrozumieniu mechanizmów reakcji i degradacji elektrod, dostarczając informacji na temat racjonalnego projektowania lepszych...

Sondowanie i mapowanie powierzchni elektrod w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem

Protokół tworzenia modelu spalin spalinowych bogatych w paliwo jest rozwijany poprzez charakterystykę spalania i jest stosowany do testowania i badań ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem mikrorurowym.

Charakterystyka spalania i opracowanie modelu paliwa dla mikrorurowych ogniw paliwowych wspomaganych płomieniem

Prezentujemy protokoły do elektrochemicznej oceny symetrycznej niewodnej organicznej baterii przepływowej redoks i diagnozowania jej stanu naładowania za pomocą FTIR.

Protokół oceny elektrochemicznej i diagnostyki stanu naładowania symetrycznej organicznej baterii przepływowej redoks

Przygotowanie i testowanie katalizatorów ogniw paliwowych Pt/C jest przedmiotem ciągłych dyskusji w środowisku naukowym w odniesieniu do odtwarzalności i najlepszych praktyk. W ramach prezentowanej pracy zamierzamy przedstawić krok po kroku samouczek dotyczący wytwarzania i testowania katalizatorów Pt/C, które mogą służyć jako punkt odniesienia dla nowatorskich układów katalitycznych.

O przygotowaniu i testowaniu katalizatorów ogniw paliwowych metodą cienkowarstwowej obrotowej elektrody dyskowej

Tutaj prezentujemy protokół syntezy i testów elektrochemicznych pojedynczych atomów metali przejściowych skoordynowanych w wakatach grafenu jako aktywnych centrów selektywnej redukcji dwutlenku węgla do tlenku węgla w roztworach wodnych.

Charakterystyka syntezy i wydajności katalizatora jednoatomowego z metalu przejściowego do elektrochemicznej redukcji CO2

Zatrucie katodą spowodowanymi śladowymi poziomami zanieczyszczeń w powietrzu pozostaje głównym problemem dla długoterminowej stabilności wysokotemperaturowych systemów elektrochemicznych. Zapewniamy nowatorską metodę łagodzenia degradacji katody za pomocą getterów, które wychwytują zanieczyszczenia unoszące się w powietrzu w wysokiej temperaturze przed wejściem do elektrochemicznie aktywnego obszaru komina.

Opracowanie i walidacja getterów chromu do systemów zasilania ogniwami paliwowymi ze stałym tlenkiem

Ten protokół wprowadza projektowanie i ocenę innowacyjnych trójwymiarowych elektrod do ogniw paliwowych z nadtlenkiem wodoru, wykorzystujących tkaninę z włókna węglowego galwanizowanego Au i elektrody z pianki niklowej. Wyniki badań podkreślają potencjał nadtlenku wodoru jako obiecującego kandydata na zrównoważone technologie energetyczne.

Bezmembranowe ogniwa paliwowe z nadtlenkiem wodoru jako obiecujące źródło czystej energii

Opisano metodę oznaczania zawartości i składu kwasów tłuszczowych w mikroalgach na podstawie mechanicznego rozbijania komórek, ekstrakcji lipidów na bazie rozpuszczalnika, transestryfikacji oraz kwantyfikacji i identyfikacji kwasów tłuszczowych za pomocą chromatografii gazowej. Wewnętrzny wzorzec tripentadekaniny służy do kompensacji ewentualnych strat podczas ekstrakcji i niepełnej transestryfikacji.

Analiza zawartości i składu kwasów tłuszczowych w mikroalgach

Opracowano podejście do identyfikacji optymalnych warunków koncentracji wirusa dla małych objętości próbek wody przy użyciu kolców ludzkiego adenowirusa. Opisane tutaj techniki są wykorzystywane do identyfikacji parametrów stężenia dla innych celów wirusowych i stosowane do eksperymentów z stężeniem wirusa na dużą skalę.

Procedura małej objętości do pomiaru stężenia wirusa z wody

Tutaj prezentujemy kompleksowy protokół do oceny dostępności organicznych i nieorganicznych składników odżywczych oraz obfitości i struktury społeczności mikroorganizmów i wirusów w odległych środowiskach morskich.

Odkrywanie niewidzialnych graczy w oceanie - przewodnik terenowy po chemii wody i mikrobiologii morskiej

Poznaj nową metodę analizy odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń do diagnostyki ogniw paliwowych. Technika ta pozwala wyraźniej identyfikować uszkodzenia, takie jak degradacja, zalanie czy zatrucie, poprzez rozdzielenie specyficznych dynamik wpływających na wydajność.

Przewodnik po analizie odpowiedzi przemiennej częstotliwości stężeń ogniw paliwowych

Przeglądaj więcej filmów