Um guia para a análise de resposta de frequência alternada de concentração das células de combustível

As células de combustível terão um papel importante no futuro. Nosso protocolo descreve um novo método para diagnosticar os principais estados de falha desses dispositivos, como degradação, inundações ou envenenamento. Ao contrário de outras técnicas como, por exemplo, espectroscopia eletroquímica de impedância, essa metodologia pode ser usada para desacoplar o impacto de dinâmicas específicas no desempenho das células de combustível de polímero facilitando uma identificação de falhas menos ambígua.

O procedimento será demonstrado por Tobias Franz, um estudante de mestrado do meu laboratório. Para a montagem da célula de combustível, coloque a placa bipolar do cátodo em uma superfície lisa e resistente com o lado do campo de fluxo para cima e coloque a junta em cima da placa alinhada com os orifícios do parafuso. Coloque a camada de difusão do gás do cátodo no meio da junta e adicione a parte superior da membrana revestida de catalisador alinhada com os orifícios do parafuso.

Coloque a camada de difusão do a gás ânodo e a junta em cima da membrana revestida de catalisador, certificando-se de que a junta se alinhe com os orifícios do parafuso. Coloque o lado do campo de fluxo de placa bipolar do ânodo para baixo em cima da junta e fixe as peças com parafusos. Em seguida, coloque a placa final de aço inoxidável do cátodo em uma superfície lisa e resistente e coloque uma peça retangular de Teflon e um coletor de corrente de cobre em cima do Teflon alinhando ambas as peças com os orifícios do parafuso.

Slot o lado do cátodo da unidade celular montada no coletor de corrente de cátodo levando em conta os entalhes nos campos de fluxo. Coloque o lado ânodo da unidade no coletor atual do ânodo com as juntas de Teflon posicionadas com a placa final de aço inoxidável no topo. Coloque as mangas isolantes, o anel e parafusos nos orifícios da placa final do ânodo, gire a célula vertical e coloque as mangas isolantes, o anel O e as porcas nos parafusos do lado do cátodo da unidade.

Em seguida, use uma chave de torque para apertar os parafusos transversalmente até que o valor de torque recomendado de cinco metros Newton seja atingido, aumentando o torque em um medidor Newton por ciclo transversal. Para a integração da célula de combustível com a periferia, coloque a unidade da célula de combustível em uma caixa de aquecimento e conecte as entradas e tomadas à periferia. Insira o termopar na placa final do cátodo e interfilme a célula de combustível com o potencialiostat à configuração do eletrodo.

Inicie o software usado para controlar a periferia celular e selecione os valores das taxas de fluxo de gás de entrada de ânodo e cátodo. Selecione a temperatura dos gases de entrada. Ligue as fitas de aquecimento e espere até que a temperatura do ponto de temperatura seja atingida.

Ajuste as temperaturas dos termostatos para definir a temperatura desejada do ponto de decadão dos gases de entrada e ligue os termostatos. Coloque a temperatura escolhida da célula de combustível no painel de controle da caixa de aquecimento e ligue o aquecimento. Quando a temperatura do ponto de vista da célula de combustível for atingida, verifique o estado de umidificação dos gases de entrada e verifique o potencial da célula de combustível do circuito aberto.

Para realizar um experimento de resposta de frequência alternada de concentração, empurre suavemente para baixo no êmbolo da parte superior de um sensor de oxigênio de fibra para expor a parte sensível da fibra. Em seguida, coloque a fibra no centro da tubulação na entrada da célula. Abra o software do sensor e defina o intervalo de amostragem para 0,15 segundos, a fim de permitir a detecção de um sinal periódico até um período de um hertz.

Abra o software de eletroquímica para editar o procedimento de análise de resposta de frequência alternada de concentração e na seção de ação selecione novo procedimento. Nos comandos, selecione o ícone de controle e insira o ícone no espaço de trabalho. Nas propriedades, selecione o modo em galvanostático e a célula no comando colocando o comando ao lado do ícone de controle.

Adicione o comando da escada de voltammetry de varredura linear a partir da voltammemetria de varredura cíclica e linear de medição. Nas propriedades, defina a corrente inicial para 0,0 amperes e o valor atual de parada para o estado estável. Defina a taxa de varredura para 0,005 amperes por segundo e a etapa para 0,1 amperes.

Insira dois comandos de sinal de registro. Nas propriedades, defina a duração para 7.200 segundos e o tempo de amostragem do intervalo para 0,5 segundos para ambos os comandos. Observe que a primeira janela de gravação é usada para monitorar como o sinal de saída se aproxima das condições periódicas de estado estável, enquanto a segunda é registrar o sinal de saída periódica de estado estável que é analisado.

Adicione um comando de repetição para definir o mesmo passo a ser repetido 20 vezes. Pressione play para iniciar o programa de resposta de frequência alternada de concentração. No primeiro conjunto de repetições, observe a janela de gravação para verificar se o potencial da célula atinge o valor de estado estável.

Para garantir uma resposta linear, abra a válvula de oxigênio adicional e ajuste o controlador de fluxo de massa para 5% do valor da taxa de fluxo total da alimentação principal. Defina o tempo de comutação da válvula para um valor inicial de 0,5 segundos e clique em iniciar. Em seguida, aguarde até que o potencial celular atinja um estado constante periódico na janela de monitoramento antes de clicar em seguida.

A amostragem do potencial sob condição de estado quase estável é necessária para obter espectros livres de artefatos, pois a presença de sinal à deriva pode levar a conclusões enganosas. Registre o sinal de estado estável periódico na nova janela de gravação por 60 segundos e clique em seguida novamente. Ao mesmo tempo, registre a entrada periódica de oxigênio e clique em iniciar no software do sensor.

Digite um nome que lembra a entrada de frequência e clique em OK. Em seguida, registre o sinal por 60 segundos e clique em parar. Repetindo as etapas anteriores, meça as correlações periódicas de entrada/saída para sinais com um período de frequência de oito a 1.000 microhertz, adquirindo oito pontos de frequência por década. Em frequências inferiores a 100 microhertz, amostra os sinais por um intervalo de tempo equivalente a cinco períodos.

Para analisar os dados de resposta de frequência alternadas de concentração, abra os scripts MATLAB FFT_input. tapete e FFT_output.mat. Na pasta de endereço, insira as especificações da localização da pasta em que os arquivos de dados medidos de pressão de oxigênio e atuais são armazenados.

Corra o FFT_po2. tapete e FFT_pot. scripts de tapete e verifique os diagramas plotados para determinar se o algoritmo computado está funcionando corretamente.

Em seguida, abra e execute o script MATLAB cfra_spectra.mat. A magnitude, o ângulo de fase e os espectros de Nyquist da função de transferência de resposta de frequência alternada de concentração sob condições galvonáticas serão traçados. Nesta análise representativa, a magnitude da espectroscopia de impedância eletroquímica e os espectros de fase do traçado foram medidos pela primeira vez em três densidades de corrente de estado constante diferentes sob controle galvanostático.

Aqui, entradas periódicas de pressão de oxigênio exemplares em duas frequências diferentes e suas transformações Fourier podem ser observadas. As magnitudes dos harmônicos foram normalizadas em relação à harmônica fundamental e a entrada de pressão em uma frequência de 49 microhertz foi caracterizada por uma forma sinusoidal. A entrada de pressão em uma frequência mais baixa assemelhava-se a uma forma de onda quadrada periódica e a transformação de Fourier normalizada relacionada refletia perfeitamente a de um sinal de onda quadrada apresentando componentes harmônicos descendentes em múltiplas frequências inteiras estranhas em relação ao fundamental.

As respostas potenciais da célula apresentaram características idênticas. Observe que uma análise espectral da entrada e da saída realizada em um número não inteiro de ciclos periódicos poderia levar a resultados enganosos devido ao efeito do vazamento espectral. Neste caso, o sinal é caracterizado por uma largura de banda de ruído mais expressa em frequência fundamental.

Além disso, a magnitude é de aproximadamente 90% do sinal devidamente processado. Para evitar o vazamento espectral, deve ser aplicado um procedimento de janela em qualquer sinal analisado. Aqui, os espectros de análise de resposta de frequência alternada de concentração medidos sob condições voltastáticas e galvanostáticas sob as mesmas condições de estado constante como no espectroscopia de impedância eletroquímica são mostrados.

Como observado na região de alta frequência, tanto os espectros de análise de resposta de frequência de concentração tempostática quanto galvanizado não demonstram sensibilidade à dinâmica de carga/descarga de camada dupla. Os espectros da CFRA são sensíveis apenas aos transitórios relacionados aos fenômenos de transporte em massa. Para evitar contribuições indesejadas ao espectro avaliado, meça o potencial celular em condições de estado quase estáveis e prove um número suficiente de períodos a fim de aumentar a relação sinal-ruído.

Assim, além dos diagnósticos, a operação de células de combustível eletroquímico e reatores em condições periódicas introduz possibilidade adicional de impactar a eficiência de conversão de energia, bem como a seletividade de produtos de processos eletroquímicos.