Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

En guide til konsentrasjon alternerende frekvensrespons analyse av brenselceller

Published: December 11, 2019 doi: 10.3791/60129
Automatic Translation
1, 1,2, 1
1Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, 2Process Systems Engineering, Otto-von-Guericke University Magdeburg

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Material fremstilling

  1. 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.
  2. Ved hjelp av samme prosedyre kuttet Teflon pakninger vurderer ytre og indre dimensjoner av strømnings feltet, og plasseringen av hullene der skruene skal plasseres.
  3. Skjær gass diffusjon lag ved hjelp av en metallramme som passer til størrelsen på pakningene.
  4. Skjær overflødig Nafion fra katalysatoren belagt membran (CCM) for å justere den til størrelsen på bipolar platene. Lag hull i membranen på stillingene der skruene skal gå gjennom ved hjelp av metallrammen som brukes tidligere. Pass på å sentrere rammen før du gjør hullene.

2. brenselcelle montering

  1. Plasser bilde bilde bipolar platen på en jevn og solid overflate med strømnings feltet opp.
  2. Sett pakningen på toppen. Pass på at den er justert etter hullene i skruen.
  3. Plasser bilderør GDL midt i pakningen og sett CCM på toppen. Pass på at CCM er på linje med skruen hullene.
  4. Plasser anode GDL og pakningen oppå. Pass på at pakningen er justert med skruen hullene og GDL er plassert i midten.
  5. Plasser anode bipolar plate på toppen (Flow feltet side ned) og bruke skruer til å klemme delene sammen.
    Merk: de bipolare platene må ikke strammes sterkt. Formålet med skruene er bare å holde justert de ulike delene.
  6. Sett ende platen i bilderør i rustfritt stål på en jevn og solid overflate.
  7. Plasser den rektangulære Teflon brikke og kobber nåværende samleren på toppen. Pass på at de samsvarer med bolt hullene.
  8. Spor den bilde-side av cellen enhet montert i trinn 2,1 på bildestrøm samleren tar hensyn til hakkene i strømnings feltene.
  9. Slot den anode siden av enheten på anode nåværende samleren, plassere Teflon pakninger og finish med anode rustfritt stål endeplate på toppen.
  10. Plasser de isolerende ermene, O-ringen og boltene i hullene på anode endeplater; inn boltene i hullene.
  11. Plasser isolasjons hyl sene og O-ringen; ferdig ved å plassere nøtter på boltene på bilderør side.
  12. Stram boltene tvers med en momentnøkkel til du når den anbefalte dreiemoment verdien på 5 N · m. 5 tvers sykluser er foreslått; Start med lavt dreiemoment verdi (1 N · m) og øke med 1 N · m i hver påfølgende syklus.

3. integrering av en brenselcelle med periferien

  1. Plasser brenselcelle i varme boksen og koble innganger og uttak til periferien. Bruk Snoop væske for å se etter lekkasjer.
  2. Sett inn Termo-enden i ende platen.
  3. Interface brenselcelle med potentiostat; Velg to elektrode konfigurasjoner. Koble kablene som er merket som RE og CE til anode IDen og de som er merket som vi og SE til bilderør siden.
  4. Start programvaren som brukes til å kontrollere celle periferien; en ordning av det eksperimentelle oppsettet er et bilde av (se skjematisk figur 1). Velg verdiene for strømningsrater for anode og bilderør og åpne ventilene. I eksperimentene som vises i denne protokollen, ble strømningshastigheter på 850, 300 og 300 mL/min brukt til henholdsvis hydrogen (anode side), nitrogen og oksygen (bilde av siden).
  5. Velg temperaturen på inntaks gassene og slå på varme båndene. Vent til innstilt punkt temperatur er nådd. I alle eksperimenter i denne protokollen var innstilt punkt temperatur på inntaks gassene på anode og bilderør siden 68 ° c.
  6. Angi temperaturene på termostaten for å definere ønsket duggpunkt temperatur på inntaks gassene; slå Termostater på.
  7. Still den valgte temperaturen på brenselcellen på kontrollpanelet til varme boksen. Deretter slår du på oppvarmingen. I eksperimentene som er beskrevet i denne protokollen, ble det satt en brenselcelle temperatur på 80 ° c.
  8. Vent til den innstilte punkt temperaturen på brenselcellen er nådd. kontrollere fukte tilstanden til inntaks gassene; Sjekk drivstoff cellen åpen krets celle potensial. Den åpne krets celle potensiell verdi på displayet av potentiostat skal være mellom 1 og 1,2 V.

4. drivstoff celle oppstart prosedyre

Merk: prosedyren som er beskrevet i følgende avsnitt bruker et spesifikt program og potentiostat (Autolab N104, NOVA 2,0 programvare). Men det kan også utføres ved hjelp av annenprogramvare og potentiostats uten å endre de viktigste resultatene. Oppstartsprosedyren må utføres hvis det brukes en ny CCM.

  1. Start Autolab NOVA 2,0 programvare.
    1. Velg Ny prosedyre i handling -delen av programvaren. siden for prosedyre redigering åpnes.
    2. Inne kommandere, falle i staver på Autolab administrere ikon; drar du Autolab Control -ikonet til arbeidsområde delen. I Egenskapervelger du modus på Potentiostatic.
      Merk: Autolab NOVA 2,0-programvaren skiller ikke mellom begrepene potentiostatic og voltastatic.
    3. Inne kommandere, velge cellen ikon og sted den nærmest det Autolab administrere ikon. Velg deretter celle påi Egenskaper . Legg til Apply -ikonet og i Egenskaper sett 0,9 V som Cell potensial med hensyn til referanse elektroden.
    4. Legg til Wait -kommandoen og angi varighet til 1800 s.
    5. Legg til LSV trapp -kommandoen fra måling syklisk og lineær feie voltammetri. Sett Start potensialet til 0,9 v, stopp potensialet til 0,6 v, skannehastigheten til 0,4 mv/s og trinn til 0,244 mv.
    6. Legg til Wait -kommandoen og angi varighet til 1800 s.
    7. Legg til LSV trapp -kommandoen fra måling syklisk og lineær feie voltammetri. Sett Start potensialet til 0,6 v, stopp potensialet til 0,9 v, skannehastigheten til 0,4 mv/s og trinn til 0,244 mv.
    8. Legg til Gjenta -kommandoen. I arbeidsområdet velger du kommandoene fra trinn 4.1.4 (den første vente kommandoen) til trinn 4.1.7 (den siste kommandoen LSV trapp ); Dra og slipp ikonene i REPEAT -boksen. I Egenskaper aktivum antall repetisjoner til 20.
  2. Start celle Start opp prosedyren ved å klikke på Play -knappen.
  3. Etter 2 h, Hvis strømmen er stabil på 0,6 V stoppe programmet ved å trykke på Stopp -knappen. Hvis strømmen fortsatt er i endring, kan du la programmet kjøre til det avsluttes.

5. Galvanostatic elektrokjemiske impedans spektroskopi eksperiment

  1. Start Autolab NOVA 2,0 programvare.
    1. Velg Ny prosedyre i handling -delen av programvaren. siden for prosedyre redigering åpnes.
    2. Inne kommandere falle i staver på Autolab administrere ikon; Dra og slipp Autolab kontroll ikonet til arbeidsområde delen. Deretter, i Egenskaper Velg modus på Galvanostatic.
    3. Legg til celle på kommando.
    4. Legg til kommandoen LSV trapp . I Egenskaper angi Start strøm til 0 A, den valgte steady state strøm til Stopp current, skanningen rate til 0,005 a/s og steg til 0,01 a.
    5. Sett inn post signal kommandoen; i Egenskaper angi varighet til 7200 s og intervall samplings tiden til 0,1 s.
    6. Sett inn kommandovinduet fra-mål . I egenskaper sett den første brukte frekvensen til 1000 Hz, den siste brukte frekvensen til 0,01 Hz og antall frekvenser per ti år til 5. Sett amplitude til 5% av den steady state strøm.
    7. Legg til kommandoen celle av .
  2. Start celle galvanostatic EIS-programmet ved å trykke på Play -knappen.
  3. Vent til den potensielle celleverdien stabiliseres ved å observere endringen i opptaksvinduet. Deretter klikker du på Forward -knappen for å starte EIS eksperimentet.
  4. Kontroller stabiliteten til systemet under eksperimentet, og vent til programmet avsluttes.

6. konsentrasjon-alternerende frekvensrespons eksperiment

Merk: følgende instruksjoner beskriver fremgangsmåten for å utføre cFRA-eksperimenter under galvanostatic forhold. Imidlertid ville prosedyren ikke avvike hvis utføre cFRA eksperimenter under voltastatic forhold, bortsett fra å sette galvanostatic å potentiostatic kontroll i programvaren og fikse en viss celle potensial som en stabil tilstand i stedet for gjeldende.

  1. Sett opp Pyro fiber oksygen sensor for raske dynamiske målinger.
    1. Skyv forsiktig ned på stempelet i øvre del av Pyro fiber oksygen sensor for å fjerne den følsomme delen av fiber fra den beskyttende nålen og legg den i midten av slangen ved celle inntaket.
    2. Åpne Pyro-programvaren.
    3. Klikk på Alternativer | Advance og velg Aktiver rask prøvetaking.
    4. Sett samplingsintervallet til 0,15 s.
  2. Rediger cFRA-prosedyren ved hjelp av programvaren Autolab NOVA 2,0.
    1. Åpne NOVA programvare og velg Ny prosedyre i handling seksjon; siden for programvare redigering åpnes.
    2. I kommandoer velger du kontroll ikonet og setter det inn i arbeidsområdet. I Egenskaper Velg modus på Galvanostatic. Deretter velger du celle på kommando og plasserer den ved siden av kontroll ikonet.
    3. Legg til LSV trapp -kommandoen fra målingen syklisk og lineær feie voltammetri. I Egenskaper angi Start strøm til 0,0 a; satt som Stopp gjeldende den steady state gjeldende verdien som cFRA eksperimentet skal utføres. Deretter bruker 0,005 A/s som skannehastighet og 0,01 a som trinnet.
    4. Sett inn to post signal kommandoer; i Egenskaper angi varighet til 7200 s og intervall samplings tid til 0,05 s. gjenta det samme trinnet 20 ganger ved å legge til en repetisjons kommando. Antall repetisjoner må være det samme som antall signal frekvenser som må måles.
      Merk: to opptaks signal Vinduer er praktiske av følgende grunner: ett opptaks vindu brukes til å overvåke den forbigående delen av det periodiske utgangssignalet, mens den andre brukes til å registrere steady state-delen av det periodiske utgangssignalet. Den steady state del av signalet brukes for overføring funksjon bestemmelser.
  3. Trykk på avspillings knappen for å starte cFRA-programmet.
  4. I det første settet med repetisjoner, sjekk om celle potensialet når steady state-verdien ved å observere opptaksvinduet.
  5. Åpne den ekstra oksygen ventilen og sett masse strømnings kontrolleren til 5% av verdien av den totale strømningshastigheten til hoved strømmen for å sikre en lineær respons (eksempel: sett 30 mL/min med 600 mL/min av total strømningshastighet). Sett deretter koplings tiden til ventilen til en startverdi på 0,5 s. Trykk på knappen for å bytte kontroll.
  6. Overvåk innspillingen vinduet og vente til cellen potensialet oppnår en periodisk steady state; Klikk deretter på neste knapp.
  7. Registrer det periodiske steady state-signalet i det nye opptaksvinduet for 60 s. Deretter klikker du igjen på neste knapp.
  8. Samtidig med forrige trinn 6,7, registrerer du den periodiske oksygen inntaket. Velg Start -knappen i sensor programvaren, sette inn et navn som minner om frekvensen input (eksempel: 1 Hz), og klikk på OK. Registrer signalet for 60 s som i den aktuelle utgangs saken og trykk på Stopp -knappen.
  9. Gjenta de foregående trinnene 6.6-6.8 ved økende veksling tid verdier for å måle periodiske input/utgang sammenhenger for et frekvensområde fra 8-1000 mHz ved å ta 8 frekvens poeng per ti år. For eksperimenter med en frekvens som er høyere enn 100 mHz, registrerer du inn data og utdata for 60 s. Ved lavere frekvenser kan du prøve signalene i et tidsrom som tilsvarer 5 perioder.

7. analyse av cFRA data

  1. Eksporter målte celle potensielle svar fra Autolab NOVA 2,0 programvare.
    1. I innspillingen vinduet klikker du på diagrammet med den målte periodiske steady state celle potensial utgang.
    2. Klikk på Vis data | Nøkkel | Eksporter knapper. Sett inn et filnavn som minner om hyppigheten av input (eksempel: 1 Hz) og klikk på Lagre.
    3. Gjenta trinn 7.1.1-7.1.2 for hvert målte celle potensial utgang på hver frekvens.
  2. Åpne MATLAB-skriptene FFT_input. mat og FFT_output. mat. I delen adresse mappe setter du inn spesifikasjonene for plasseringen av mappen der det målte oksygen trykket og gjeldende datafiler lagres.
    Merk: manuset ble skrevet med sikte på å utføre vindaugesystemet av de innsamlede innganger for å ha et heltall antall periodiske sykluser for å analysere, og beregne deres Fourier forvandler nøyaktig og raskt. Alle andre prosedyrer som utfører den samme oppgaven, endrer ikke resultatene.
  3. Løpe det FFT_PO2. mat og FFT_Pot. mat skript; sjekke inn de plottet diagrammene hvis den beregnede algoritmen fungerer riktig (i tids domenet, et heltall antall input og output sykluser skal trekkes ut fra den opprinnelige input og output prøver).
    FORSIKTIG: en Fourier-Transform basert på et ikke-heltall antall periodiske sykluser kan resultere i villedende analyse av innganger og utganger som resulterer i unøyaktig cFRA Spectra.
  4. Åpne MATLAB-skriptet cFRA_spectra. matte og Kjør det. Størrelsesorden, fase vinkel og Nyquist Spectra av cFRA overføringsfunksjon under galvanostatic forhold er plottet.
    Merk: skriptet beregner cFRA overføring funksjonen ved hjelp av Fourier transformere verdier på grunnleggende hyppigheten av oksygentrykk (innganger) og celle potensial (utganger) signal ved hjelp av følgende ligning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 høyfrekvensområdet, masse transport dynamikk i området mellom 1 Hz og 100 MHz, og membran hydration dynamikk i lav frekvensområdet1,2,8. For å unngå data spredning ofte observert på frekvenser under 100 mHz følgende betingelser må være oppfylt: (i) EIS eksperimentet skal starte først etter steady state gjeldende tetthet er oppnådd (kvasi steady state tilstand er preget av en ubetydelig konstant drift), (II) input amplitude er satt til 5% av den steady state gjeldende verdi for å sikre en lineær respons samtidig redusere påvirkningen av støy i den harmoniske analysen, (III) minst 4 perioder for hver frekvens er for å minimere støy effektene ytterligere.

Figur 3 viser eksemplarisk periodiske oksygentrykk innganger på to forskjellige frekvenser og deres Fourier forvandler. Den magnitudes av harmoniske i Figur 3B er normalisert med hensyn til grunnleggende harmoniske. Som allerede nevnt i protokollen, ble alle signaler samplet etter kvasi steady state forholdene ble nådd. Trykket input med en frekvens på 49 mHz (Figur 3a) er karakterisert ved en sinusformet form. Dens Fourier Transform (Figur 3B) viser en harmonisk på grunnleggende frekvens og en ekstra høyere harmonisk på en frekvens som er den doble av de fundamentale en, som indikerer et lite avvik fra en ren sinusformet signal. Trykket input ved lavere frekvens ligner en periodisk firkantbølge form (Figur 3C). Den relaterte normalisert Fourier Transform (Figur 3D) reflekterer perfekt at av en firkantbølge signal, presentere synkende harmoniske komponenter på flere oddetalls frekvenser med hensyn til grunnleggende ett. Cellen potensielle svar presentere identiske funksjoner (Figur 4A-D). De forskjellige signal formene ved forskjellige frekvenser forårsakes av måten forstyrrelsene produseres på. Bytte ventilen passerer raskt fra åpen/lukket tilstand som resulterer i en kraftig endring i oksygentrykk. Men ved høyere vekslings frekvenser har ikke trykk profilen noen tid til å oppnå en ny, stabil verdi før ventilen skifter tilstand igjen. Av denne grunn, i høye frekvenser input forstyrrelsene, samt output respons, følger en sinusformet form. På den annen side gir en lav vekslings frekvens oksygentrykk for å oppnå en konstant verdi mellom bryterne, noe som resulterer i en firkantet bølge inngang. For å minimere støy effektene vurderes bare verdiene for innganger og utganger ved den grunnleggende frekvensen for å bestemme overføringsfunksjonen, mens høyere harmoniske ikke tas i betraktning (se EQ. 1). Av samme grunn, ved frekvenser høyere enn 100 mHz signalene ble samtidig registrert for minst 60 s. Ved lavere frekvenser tilsvarer prøvetiden tilsvarende minst 5 perioder.

For å unngå effekten av Spectral lekkasje, noe som kan føre til villedende resultater, ble Spectral analyse av input og output data utført på et heltall antall periodiske sykluser. Siden sampling-prosedyren starter og stopper manuelt, blir det ikke alltid samplet et nøyaktig heltalls antall perioder. Av denne grunn, før noen annen analyse, ble dataene utsatt for en vindaugesystemet prosedyre. Figur 5 illustrerer effekten av Spectral lekkasje på grunn av feil samplet signaler. Den nåværende svar uten anvendelse av vindaugesystemet prosedyren og normalisert Fourier Transform vises i figur 5A og figur 5B hhv. For sammenligningsformål vises det korrekt behandlede signalet i Figur 4B. Som det kan sees, den Fourier Transform av feil behandlet signal (figur 5B), er preget av mer uttrykt støy båndbredde på grunnleggende frekvens, samt lavere størrelsesorden av den første harmoniske. Størrelsen på det feil behandlede signalet (figur 5b) er ca. 90% av det korrekt behandlede signalet (Figur 4b). Det kan lett forstått at vindaugesystemet prosessen er avgjørende for å oppnå pålitelige resultater. Figur 6 viser cFRA Spectra målt under voltastatic og galvanostatic forhold under samme steady state forhold som i EIS Spectra. Som det kan sees, i høy frekvens regionen, både voltastatic og galvanostatic cFRA Spectra viser ingen følsomhet for steady state forhold. Siden høy frekvens regionen er i hovedsak påvirket av rask transienter som dobbeltlags lading/lossing dynamikk, cFRA resultatene indikerer lav følsomhet av cFRA metoden til rask transienter. På den annen side kan masse transport og membran hydration dynamikk oppdages i samme frekvensområde som verifisert av EIS. Derfor kan cFRA betraktes som en eksperimentell teknikk for selektivt å studere transport dynamikk i PEM brenselceller. Dataene ved høyere frekvenser er vanligvis mer spredt på grunn av den større effekten av støyen. Dette kan unngås ved å forlenge prøvetiden eller ved å oppdatere dataene oftere og beregne gjennomsnittet for dem.

Et annet kritisk aspekt som påvirker kvaliteten på målingene er linearitet av den målte overføringsfunksjonen. Bruk av for stor en input amplitude kan føre til et ekstra ikke-lineær bidrag til harmoniske i utgangs responsen. En måte å sjekke tilstedeværelsen av nonlinearities er å anvende homogenitet prinsippet. Følgelig er det samme målingen gjentas ved hjelp av ulike input amplitude verdier. Hvis forskjellen mellom de to overføringsfunksjonene er ubetydelig eller under støynivået, kan inn data/utdata-korrelasjon betraktes som fri fra nonlinearities. Et eksempel på anvendelsen av dette prinsippet kan sees i figur 7. Referanse saken lover amplitude Spectra (blå kurve) er plottet sammen med en målt på samme steady state forhold, men ved hjelp av halvparten av referanse amplitude verdi. De to lover tomter overlapper hverandre, noe som indikerer fravær av nonlinearities.

Figur 8a viser EIS størrelsesorden Spectra av en PEM brenselcelle med tørr anode/Wet bilderør og våte bilderør/tørr anode konfigurasjoner. I Figur 8B, galvanostatic cFRA Spectra på samme vilkår er vist for sammenligning formål. EIS viser bare en kvantitativ forskjell mellom de to driftstilstandene. I kontrast, cFRA kan skille mellom dem, viser ulike kvalitative atferd. Det er merkbart at størrelsesorden i frekvensområdet Nafion membran hydration avtar med en våt bilderør, mens det øker med en tørr bilderør.

Figure 1
Figur 1: skjematisk fremstilling av det eksperimentelle oppsettet som brukes til å utføre cFRA-målinger. Den viktigste fôr er en blanding av oksygen og nitrogen fuktet ved å passere gjennom en bubbler fylt med vann ved en fast temperatur. Gass temperatur, duggpunkt temperatur, total trykk og delvis trykk av oksygen i blandingen måles ved celle inntaket. En liten strøm av oksygen er periodisk lagt til de viktigste fôret ved hjelp av en bytte ventil. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: elektrokjemiske impedans Spectra ved tre forskjellige steady state gjeldende tettheten. Størrelse (A) og fase (B) av impedans i lover plot representasjon. Eksperimentelle forhold: celle temperatur på 80 ° c, innløps gass temperatur på 68 ° c, bilderør med en strøm på 300 mL/min, bilderør fra 300 mL/min, anode hydrogen flyt på 850 mL/min. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: periodisk oksygentrykk input i tid og frekvens domene. (A) periodisk oksygentilførsel over tid på 500 MHz, (B) Fourier Transform spectra oksygen input ved 500 MHz, (C) periodisk oksygentilførsel over tid ved 8 MHz, (D) Fourier Transform Spectra oksygen input på 8 MHz. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: celle potensiell utdata i tids-og frekvens domener. (A) celle potensiell utgang over tid på 500 MHz, (B) Fourier Transform Spectra av celle potensial respons ved 500 MHz, (C) celle potensial utgang over tid ved 8 MHz, (D) Fourier transformere Spectra av celle potensial respons ved 8 MHz. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: celle potensiell utdata i tids-og frekvens domene som ikke er behandlet av vindaugesystemet prosedyre. (A) celle potensiell utgang over tid på 500 MHz, (B) Fourier transformere Spectra av celle potensial respons ved 500 MHz. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: cFRA Spectra ved tre forskjellige steady state-forhold. (A) cFRA størrelsesorden lover tomten under voltastatic kontroll, (B) cFRA størrelses lover tomten under galvanostatic kontroll, (C) cFRA fase vinkel lover tomten under voltastatic kontroll, (D) cFRA fase vinkel lover tomten under voltastatic kontroll. Eksperimentelle forhold: celle temperatur på 80 ° c, innløp gass temperatur på 68 ° c, bilderør og anode duggpunkt temperatur på 55 ° c, bilderør av 300 mL/min, bildestrøm fra 300 mL/min, anode hydrogen flyt av 850 mL/min. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: cFRA Spectra bruke forskjellige oksygentrykk amplituder. cFRA størrelsesorden lover tomter under galvanostatic forhold ved hjelp av en oksygen input amplitude av 7000 PA (blå kurve) og 3500 PA (rød kurve). Eksperimentelle forhold: celle temperatur 80 ° c, innløps gass temperatur 68 av ° c, bilderør og anode duggpunkt temperatur 55 av ° c, bilderør med 300 mL/min, bilderør av 300 mL/min, anode hydrogen flyt på 850 mL/min. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8: sammenligning mellom EIS og cFRA Spectra ved lav luftfuktighet. (A) EIS størrelses lover tomter, (B) cFRA størrelses lover tomter. Fukt forhold med tørr anode/våt bildekonfigurasjon: anode duggpunkt temperatur på 30 ° c, bilde duggpunkt temperatur på 55 ° c. Fukt forhold med våt anode/tørr bildekonfigurasjon: anode duggpunkt temperatur på 55 ° c, bilde av duggpunkt temperatur på 30 ° c. Steady state strøm: 100 mA/cm2. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 vil redusere korrelasjons effektene mellom ulike parametere for å forbedre estimat kvaliteten. I tillegg kan dens evne til å skille mellom fukting statene i bildefeltet brukes som en online diagnostisk verktøy. Imidlertid må mange aspekter av teknikken forbedres og utgjorde for å gjøre optimal bruk av den. Denne protokollen har som mål å gi et eksempel på hvordan du bruker dynamisk konsentrasjon innspill til PEM brenselceller og hvordan å analysere den. Ulike tekniske problemer og rom for forbedringer av cFRA er diskutert nedenfor.

Prøvetaking og behandling av input og output data er avgjørende for kvaliteten på den målte cFRA Spectra. Stabiliteten til systemet over en tid på minst tre timer er nødvendig. Derfor er det vanskelig å utføre eksperimenter i svært ustabil forhold som i ekstremt oversvømmet eller tørre forhold9. De tidkrevende trinnene er likevekts av cellen, som tar mellom 30 min og 1 time, og prøvetaking av de periodiske input/output signaler, som tar ca 1 t og 15 min for alle frekvens punkter og ordninger vurderes i denne protokollen. Sistnevnte trinn kan dramatisk reduseres ved hjelp av alle harmoniske som finnes i kvadratet bølge innganger og utganger for å bestemme cFRA Spectra stedet for bare en på grunnleggende frekvens. I utgangspunktet, som vist i Figur 3, er den periodiske kvadrat bølgen tilsvarer en multi-sinusformet inngang som kan brukes til å fange responsen av forskjellige frekvenser (se Figur 3 og Figur 4) i bare ett signal. Derfor kan bare to oksygentrykk innganger per frekvens ti år være nok til å måle en komplett cFRA Spectra. På denne måten varigheten prøvetaking ville redusere til en halv time på de fleste.

Prosedyren er ikke automatisert. Den skifter tid av ventilen brukes til å legge til ytterligere periodisk strøm av oksygen endres ved hjelp av PCS 7 programvare av Siemens, som også styrer alle de andre enhetene som brukes i den eksperimentelle oppsett. Andre system design plattformer kan brukes for samme oppgave, for eksempel LabVIEW. På den annen side er databehandling automatisk og grei. Det er bare nødvendig å sette inn plasseringen av data mappen i en MATLAB script opprettet ad-hoc, kjøre den og Spectra vil bli plottet etter noen sekunder.

En begrensning av den eksperimentelle oppsettet som brukes er den høyeste frekvensen av oksygentrykk input som kan fås og analyseres. Funksjonene til to enheter bestemme verdien av denne grensen: bytte ventil og fiberoptisk oksygen sensor. Ytelsen til den første er dominert av en maksimal vekslings rate på 0,5 s som gjør det mulig å produsere en periodisk oksygen forstyrrelsene på opp til 1 Hz. Bruk av en bytte ventil med magnetisk magnet teknologi som har en vekslings hastighet på rundt hundrevis av Hz, kan øke verdien av denne grensen. På den annen side, begrensningene knyttet til fiberoptisk sensor angår dens evne til å oppdage raske endringer av oksygen delvis trykk. Den maksimale samplingsfrekvensen for sensoren som brukes, er 7 Hz, noe som betyr at et periodisk signal med en frekvens på opptil 3,5 Hz kan være meningsfullt analysert i henhold til Nyquist-Shannon prøvetaking setning. Her over atter, det gjennomførelse kan forbedret av benytter en hurtigere sensor leseren kjøpedyktig forarbeide flere data, hvilket kunne lage den mulig å har en prøving rate inne bestillingen av flere hundre av Hz. Tiden responsen på sensoren er imidlertid en parameter som må tas i betraktning også. I vårt tilfelle er det rundt 0,3 s (T90).

I tillegg til dagens metoder og tekniske begrensninger, et annet aspekt knyttet til dagens ordning av eksperimentell oppsett må vurderes med hensyn til analyse av data og deres tolkning. Tilsetning av den lille ekstra strøm av oksygen til de viktigste fôr etter fukting av sistnevnte (se figur 1) innebærer ikke bare variasjonen av oksygen trykket, men også vanntrykket. I utgangspunktet, en økning av oksygen delvis trykk betyr en reduksjon av vanntrykket og vice versa, noe som resulterer i en samtidig periodisk forstyrrelsene med de to innganger i antiphase. Derfor er den målte overføringsfunksjonen ikke den i ligningen (1), men en lineær kombinasjon av de to og henholdsvis innhentet for oksygen og vann forstyrrelsene. Det lyder:

der variabelen kvantifiserer brøkdel av vann bidraget til den målte overføringsfunksjonen. Derfor må bidraget vanntrykket evalueres for å koble én overføring funksjoner. En måte å løse dette problemet på vises i referansen [7]. I fremtiden vil metodikken forbedres ved å implementere løsningene som er beskrevet i denne delen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

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

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. , University of Minnesota. (2016).

Tags

Environmental Sciences utstede 154 polymer elektrolytt brenselcelle elektrokjemiske impedans spektroskopi frekvensrespons analyse system identifikasjon masse transport Nafion membran
En guide til konsentrasjon alternerende frekvensrespons analyse av brenselceller
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sorrentino, A., Sundmacher, K.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter