Guide de concentration En alternance d'analyse des réponses aux fréquences des piles à combustible

Summary

Nous présentons un protocole pour l’analyse de réponse de fréquence alternée de concentration des piles à combustible, une nouvelle méthode prometteuse d’étude de la dynamique des piles à combustible.

Abstract

Une configuration expérimentale capable de générer une perturbation périodique de l’entrée de concentration de l’oxygène a été utilisée pour effectuer l’analyse de réponse de fréquence de concentration-alternance (cFRA) sur les piles à combustible de membrane d’échange de protons (PEM). Au cours des expériences de l’ACRC, l’alimentation de concentration modulée a été envoyée à la cathode de la cellule à différentes fréquences. La réponse électrique, qui peut être un potentiel cellulaire ou courant en fonction du contrôle appliqué sur la cellule, a été enregistrée afin de formuler une fonction de transfert de réponse de fréquence. Contrairement à la spectroscopie électrochimique traditionnelle d’impédance (EIS), la nouvelle méthodologie cFRA permet de séparer la contribution de différents phénomènes de transport de masse des processus de transfert de charge cinétique dans les spectres de réponse de fréquence de la cellule. En outre, cFRA est capable de différencier entre les différents états d’humidification de la cathode. Dans ce protocole, l’accent est mis sur la description détaillée de la procédure d’exécution des expériences cFRA. Les étapes les plus critiques des mesures et les améliorations futures à la technique sont discutées.

Introduction

Il est important de caractériser le comportement dynamique d’une pile à combustible PEM afin de comprendre quels mécanismes dominent les états opérationnels transitoires qui réduisent les performances de la cellule. La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) est la méthodologie la plus couramment utilisée pour étudier la dynamique des piles à combustible PEM, en raison de sa capacité à séparer les différentes contributions au processus de la performance dynamique globale^1,2. Cependant, les processus transitoires avec des constantes de temps similaires sont souvent couplés dans les spectres EIS, ce qui rend difficile leur interprétation. Pour cette raison, dans le passé, des outils de diagnostic transitoires basés sur l’application d’intrants non électriques dans le but de détecter l’impact de quelques dynamiques individuelles ont été développés et proposés^3,4,5,6,7.

Une nouvelle technique de réponse de fréquence basée sur l’entrée de perturbation de concentration et les sorties électriques nommées analyse de réponse de fréquence concentration-alternance (cFRA) a été développée dans notre groupe. Le potentiel de cFRA comme outil de diagnostic sélectif a été étudié théoriquement et expérimentalement^6,7. Il a été constaté que cFRA peut séparer différents types de phénomènes de transport de masse et de distinguer entre les différents états de fonctionnement de la cellule. Dans ce protocole, nous nous concentrons sur la description étape par étape de la procédure d’exécution des expériences cFRA. L’assemblage de la cellule, son conditionnement et la configuration expérimentale pour la création d’un flux avec perturbation de concentration périodique, ainsi que l’analyse des données seront montrés et discutés en détail. Enfin, les points les plus critiques de la procédure seront mis en évidence et plusieurs stratégies pour améliorer la qualité et la sélectivité des spectres cFRA seront identifiées.

Protocol

1. Préparation des matériaux Couper et perforer deux morceaux rectangulaires de téflon de la même taille que les plaques d’extrémité à l’aide d’une presse à découper; prendre soin et s’assurer que les trous sont dans la position exacte où les boulons doivent être placés. En utilisant la même procédure couper les joints de téflon compte tenu des dimensions extérieures et intérieures du champ d’écoulement, et la position des trous où les vis doivent être placées. Couper le…

Representative Results

L’analyse préliminaire de la dynamique des piles à combustible basée sur les spectres de l’EIE est présentée à la figure 2. La magnitude de l’EIS (Figure 2A) et les parcelles de phase Bode (figure 2B) sont mesurées à trois densités de courant à état stable différentes sous contrôle galvanostatique. Comme prévu, tous les principaux processus transitoires…

Discussion

Contrairement à l’EIE classique, le CFRA est un outil de diagnostic axé sur la caractérisation de la dynamique liée aux différents phénomènes de transport de masse qui se produisent dans la pile à combustible. Il n’est pas en mesure de détecter les transitoires ayant une constante de temps en dessous de la diffusion de l’oxygène dans l’électrode, comme par exemple la charge / décharge de la double couche⁶. Par conséquent, contrairement à l’EIE où plusieurs phénomènes sont couplés…

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