Summary

En guide til konsentrasjon alternerende frekvensrespons analyse av brenselceller

Published: December 11, 2019
doi:

Summary

Vi presenterer en protokoll for konsentrasjon vekslende frekvensrespons analyse av brenselceller, en lovende ny metode for å studere brenselcelle dynamikk.

Abstract

En eksperimentell oppsett i stand til å generere en periodisk konsentrasjon input forstyrrelsene av oksygen ble brukt til å utføre konsentrasjon-vekslende frekvensrespons analyse (cFRA) på Proton-utveksling membran (PEM) brenselceller. Under cFRA eksperimenter, den modulert konsentrasjon feed ble sendt til bilde av cellen ved forskjellige frekvenser. Den elektriske responsen, som kan være celle potensial eller strøm avhengig av kontroll brukt på cellen, ble registrert for å formulere en frekvensrespons overføringsfunksjon. I motsetning til tradisjonelle elektrokjemiske impedans spektroskopi (EIS), romanen cFRA metodikk gjør det mulig å skille bidrag av ulike masse transport fenomener fra kinetisk lade overføring prosesser i frekvensresponsen Spectra av cellen. Dess, cFRA er i stand til å skille mellom varierende fukting statene i bilderør. I denne protokollen er fokuset på den detaljerte beskrivelsen av prosedyren for å utføre cFRA-eksperimenter. De mest kritiske trinnene i målingene og fremtidige forbedringer av teknikken diskuteres.

Introduction

Å karakteriserer den dynamiske atferden til en PEM brenselcelle er viktig for å forstå hvilke mekanismer som dominerer de forbigående operative statene senke ytelsen til cellen. Elektrokjemiske impedans spektroskopi (EIS) er den mest brukte metoden for å studere PEM brenselcelle dynamikk, på grunn av sin evne til å skille ulike prosess bidrag til den samlede dynamiske ytelse1,2. Imidlertid er forbigående prosesser med lignende tids konstanter ofte koblet sammen i EIS Spectra, noe som gjør det vanskelig å tolke dem. Av denne grunn, i de siste forbigående diagnostiske verktøy basert på anvendelse av ikke-elektriske innganger med sikte på å oppdage virkningen av et par eller individuelle dynamikk har blitt utviklet og foreslått3,4,5,6,7.

En roman frekvensrespons teknikk basert på konsentrasjon forstyrrelsene input og elektriske utganger kalt konsentrasjon-alternerende frekvensrespons analyse (cFRA) har blitt utviklet i vår gruppe. Potensialet i cFRA som en selektiv diagnostisk verktøy har blitt undersøkt teoretisk og eksperimentelt6,7. Det ble funnet at cFRA kan skille ulike typer masse transport fenomener og diskriminere mellom de ulike tilstandene til drift av cellen. I denne protokollen fokuserer vi på den trinnvise beskrivelsen av fremgangsmåten for å utføre cFRA-eksperimenter. Sammenstillingen av cellen, dens condition og eksperimentell oppsett for å lage en feed med periodisk konsentrasjon forstyrrelsene, samt dataanalyse vil bli vist og diskutert i detalj. Til slutt, de mest kritiske punktene i prosedyren vil bli uthevet og flere strategier for å forbedre kvaliteten og selektivitet av cFRA Spectra vil bli fant frem.

Protocol

1. Material fremstilling Klipp og perforere to rektangulære stykker Teflon av samme størrelse som slutten platene ved hjelp av en cutting trykk; Pass på at hullene er i nøyaktig posisjon der boltene skal plasseres. Ved hjelp av samme prosedyre kuttet Teflon pakninger vurderer ytre og indre dimensjoner av strømnings feltet, og plasseringen av hullene der skruene skal plasseres. Skjær gass diffusjon lag ved hjelp av en metallramme som passer til størrelsen på pakningene. Skj?…

Representative Results

Den foreløpige analyse av brenselcelle dynamikk basert på EIS Spectra er vist i figur 2. EIS størrelsesorden (figur 2A) og fase lover tomter (figur 2B) Spectra måles på tre forskjellige steady state gjeldende tettheten under galvanostatic kontroll. Som forventet, er alle viktigste transient prosesser observert: det dobbelte laget lading/lossing i høyfrekvensomr…

Discussion

I motsetning til klassisk EIS, er cFRA et diagnostisk verktøy fokusert på karakterisering av dynamikk knyttet til de ulike masse transport fenomener som forekommer i brenselcellen. Det er ikke i stand til å oppdage noen transienter å ha en tidskonstant under oksygen diffusjon i elektroden, som for eksempel lading/lossing av det doble laget6. Derfor, i motsetning til EIS der flere fenomener er koplet, cFRA kan bidra til å identifisere mønstre knyttet til bestemte dynamikken tydeligere. Dette …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Max Planck-instituttet for Dynamics av komplekse tekniske systemer assistert i møte publikasjonen kostnadene for denne artikkelen.

Materials

Membrane Electrode Assemby N115 25,8 cm2 QuinTech EC-NM-115 cathode/anode loding: 1mg Pt/cm2
Potentiostat Metrhohm PGSTAT302N
Booster Metrohm BOOSTER20A
Retractable fiber oxygen sensor Pyro Science OXR430-UHS
Dew Point and Temperature Meter VAISALA DMT340
Software process control system Siemens Simatic PCS 7
Software MATLAB2012a Mathworks
Hydrogen Linde Hydrogen 6.0
Nitrogen Linde Nitrogen 5.0
Oxygen Linde Oxygen 5.0

References

  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 of proton exchange membrane fuel cells using electrochemical impedance spectroscopy technique – a review. Journal of Power Sources. 240 (8), 281-293 (2013).
  3. Niroumand, A. M., Merida, W., Eikerling, M., Safi, M. Pressure voltage oscillations as diagnostic tool for PEFC cathode. Electrochemistry Communications. 12 (1), 122-124 (2010).
  4. Engebretsen, E., et al. Electro-thermal impedance spectroscopy applied to an open-cathode polymer electrolyte fuel cell. Journal of Power Sources. 302, 210-214 (2014).
  5. Engebretsen, E., Mason, T. J., Shearing, P. R., Hinds, G., Brett, D. J. L. Electrochemical pressure impedance spectroscopy applied to the study of polymer electrolyte fuel cells. Electrochemistry Communications. 75, 60-63 (2016).
  6. Sorrentino, A., Vidaković-Koch, T., Hanke-Rauschenbach, R., Sundmacher, K. Concentration frequency response analysis: A new method for studying polymer electrolyte membrane fuel cell dynamics. Electrochimica Acta. 243, 53-64 (2017).
  7. Sorrentino, A., Vidaković-Koch, T., Sundmacher, K. Studying mass transport dynamics in polymer electrolyte membrane fuel cells using concentration-alternating frequency response analysis. Journal of Power Sources. 412, 331-335 (2019).
  8. Pivac, I., Barbir, F. Inductive phenomena at low frequencies in impedance spectra of proton exchange membrane fuel cells-A review. Journal of Power Sources. 326, 112-119 (2016).
  9. Benziger, J., Chia, J. E., Kimbal, E., Kevrekidis, I. G. Reaction Dynamics in a Parallel Flow Channel PEM Fuel Cell. Journal of Electrochemical Society. 154, B835-B844 (2007).
  10. Rannow, M. B. Achieving Efficient Control of Hydraulic Systems Using On/Off Valves. Doctoral Dissertation. , (2016).

Play Video

Cite This Article
Sorrentino, A., Sundmacher, K., Vidaković-Koch, T. A Guide to Concentration Alternating Frequency Response Analysis of Fuel Cells. J. Vis. Exp. (154), e60129, doi:10.3791/60129 (2019).

View Video