Una guida alla concentrazione dell'analisi di risposta di frequenza alternata delle celle a combustibile

Summary

Presentiamo un protocollo per la concentrazione dell’analisi della risposta di frequenza alternata delle celle a combustibile, un nuovo metodo promettente per studiare la dinamica delle celle a combustibile.

Abstract

Una configurazione sperimentale in grado di generare una perturbazione periodica dell’input di concentrazione di ossigeno è stata utilizzata per eseguire analisi di risposta di frequenza alternata della concentrazione (cFRA) sulle celle a combustibile a membrana di scambio di protoni (PEM). Durante gli esperimenti cFRA, il mangime di concentrazione modulato è stato inviato al catodo della cellula a frequenze diverse. La risposta elettrica, che può essere potenziale cellulare o corrente a seconda del controllo applicato sulla cella, è stata registrata al fine di formulare una funzione di trasferimento di risposta di frequenza. A differenza della spettroscopia elettrochimica tradizionale (EIS), la nuova metodologia cFRA consente di separare il contributo di diversi fenomeni di trasporto di massa dai processi di trasferimento della carica cinetica negli spettri di risposta alla frequenza la cellula. Inoltre, la cFRA è in grado di distinguere tra diversi stati di umidificazione del catodo. In questo protocollo, l’attenzione si concentra sulla descrizione dettagliata della procedura per eseguire esperimenti cFRA. Vengono discusse le fasi più critiche delle misurazioni e i futuri miglioramenti alla tecnica.

Introduction

Caratterizzare il comportamento dinamico di una cella a combustibile PEM è importante per capire quali meccanismi dominano gli stati operativi transitori abbassando le prestazioni della cella. La spettroscopia elettrochimica di impedimento (EIS) è la metodologia più comunemente utilizzata per studiare la dinamica delle celle a combustibile PEM, grazie alla sua capacità di separare diversi contributi di processo alle prestazioni dinamiche complessive^1,2. Tuttavia, i processi temporanei con costanti temporali simili sono spesso accoppiati negli spettri EIS, rendendo difficile l’interpretazione. Per questo motivo, in passato sono stati sviluppati e proposti^eproposti 3^,4,5,6,7.

Nel nostro gruppo è stata sviluppata una nuova tecnica di risposta di frequenza basata sull’input di perturbazione della concentrazione e sulle uscite elettriche denominate analisi di risposta alla frequenza alternata della concentrazione (cFRA). Il potenziale della CFRA come strumento diagnostico selettivo è stato studiato teoricamente e sperimentalmente^6,7. Si è scoperto che la CFRA può separare diversi tipi di fenomeni di trasporto di massa e discriminare tra i diversi stati di funzionamento della cellula. In questo protocollo, ci concentriamo sulla descrizione passo-passo della procedura per l’esecuzione di esperimenti cFRA. L’assemblaggio della cellula, il suo condizionamento e la configurazione sperimentale per la creazione di un feed con perturbazione periodica della concentrazione, così come l’analisi dei dati saranno mostrati e discussi in dettaglio. Infine, verranno evidenziati i punti più critici della procedura e saranno individuate diverse strategie per migliorare la qualità e la selettività degli spettri cFRA.

Protocol

1. Preparazione del materiale Tagliare e perforare due pezzi rettangolari di Teflon della stessa dimensione delle piastre finali utilizzando una pressa da taglio; fare attenzione e assicurarsi che i fori siano nella posizione esatta in cui devono essere posizionati i bulloni. Utilizzando la stessa procedura tagliare guarnizioni Teflon considerando le dimensioni esterne e interne del campo di flusso, e la posizione dei fori in cui le viti devono essere collocati. Tagliare gli strati di diffus…

Representative Results

L’analisi preliminare della dinamica delle celle a combustibile basata sugli spettri EIS è illustrata nella Figura 2. Gli spettri di grandezza EIS (Figura 2A) e di fase Bode(Figura 2B) sono misurati a tre diverse densità di corrente costante sotto il controllo galvanostatico. Come previsto, vengono osservati tutti i principali processi transitori: la ricarica/scari…

Discussion

A differenza dell’EIS classico, il cFRA è uno strumento diagnostico incentrato sulla caratterizzazione delle dinamiche relative ai diversi fenomeni di trasporto di massa che si verificano nella cella a combustibile. Non è in grado di rilevare alcun transitorio che abbia una costante temporale al di sotto della diffusione dell’ossigeno nell’elettrodo, come ad esempio la ricarica/scarico del doppio strato⁶. Pertanto, a differenza dell’EIS, dove sono accoppiati diversi fenomeni, la CFRA può aiutar…

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