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

Summary

Apresentamos um protocolo de análise de resposta de frequência alternada de concentração das células de combustível, um novo método promissor de estudar a dinâmica das células de combustível.

Abstract

Uma configuração experimental capaz de gerar uma perturbação periódica da entrada da concentração do oxigênio foi usada para executar a análise de resposta de freqüência concentração-alternada (cFRA) em pilhas de combustível da membrana da proton-troca (PEM). Durante os experimentos da cFRA, a alimentação modulada de concentração foi enviada para o cátodo da célula em diferentes frequências. A resposta elétrica, que pode ser potencial celular ou corrente dependendo do controle aplicado na célula, foi registrada para formular uma função de transferência de resposta de frequência. Ao contrário da espectroscopia tradicional de impedância eletroquímica (EIS), a nova metodologia cFRA permite separar a contribuição de diferentes fenômenos de transporte de massa dos processos de transferência de encargos cinéticos nos espectros de resposta de frequência de a cela. Além disso, a cFRA é capaz de diferenciar entre diferentes estados de umidificação do cátodo. Neste protocolo, o foco está na descrição detalhada do procedimento para realizar experimentos cFRA. Os passos mais críticos das medições e melhorias futuras para a técnica são discutidos.

Introduction

Caracterizar o comportamento dinâmico de uma célula de combustível PEM é importante para entender quais mecanismos dominam os estados operacionais transitórios que reduzem o desempenho da célula. A espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) é a metodologia mais utilizada para estudar a dinâmica das células de combustível PEM, devido à sua capacidade de separar diferentes contribuições de processos para o desempenho dinâmico geral^1,2. No entanto, processos transitórios com constantes de tempo semelhantes são muitas vezes acoplados nos espectros do EIS, tornando difícil interpretá-los. Por esta razão, no passado, foram desenvolvidas ferramentas de diagnóstico transitórios com base na aplicação de insumos não elétricos com o objetivo de detectar o impacto de algumas ou dinâmicas individuais foram desenvolvidas e propostas^3,4,5,6,7.

Uma nova técnica de resposta à frequência baseada na entrada de perturbação de concentração e saídas elétricas chamadas análisede resposta de frequência alternada de concentração (cFRA) foi desenvolvida em nosso grupo. O potencial da cFRA como ferramenta seletiva de diagnóstico tem sido investigado teoricamente e experimentalmente^6,7. Verificou-se que a cFRA pode separar diferentes tipos de fenômenos de transporte de massa e discriminar entre os diferentes estados de operação da célula. Neste protocolo, concentramo-nos na descrição passo a passo do procedimento para a realização de experimentos cFRA. A montagem da célula, seu condicionamento e a configuração experimental para a criação de um feed com perturbação periódica de concentração, bem como a análise de dados serão mostrados e discutidos em detalhes. Finalmente, serão destacados os pontos mais críticos do procedimento e serão identificadas várias estratégias para melhorar a qualidade e a seletividade dos espectros cFRA.

Protocol

1. Preparação de material Corte e perfure duas peças retangulares de Teflon do mesmo tamanho que as placas finais usando uma prensa de corte; tome cuidado e garantir que os buracos estão na posição exata onde os parafusos devem ser colocados. Usando o mesmo procedimento cortar juntas Teflon considerando as dimensões externas e internas do campo de fluxo, ea posição dos buracos onde os parafusos devem ser colocados. Corte as camadas de difusão de gás usando uma armação de metal q…

Representative Results

A análise preliminar da dinâmica das células de combustível baseada nos espectros do EIS é mostrada na Figura 2. EIS magnitude (Figura 2A)e fase Bode parcelas(Figura 2B)espectros são medidos em três diferentes densidades de corrente supressão estável estado controle galvanizvanotático. Como esperado, todos os principais processos transitórios são observad…

Discussion

Em contraste com o EIS clássico, o cFRA é uma ferramenta de diagnóstico focada na caracterização da dinâmica relacionada aos diferentes fenômenos de transporte de massa que ocorrem na célula de combustível. Ele não é capaz de detectar quaisquer transientes com uma constante de tempo abaixo da difusão de oxigênio no eletrodo, como por exemplo, o carregamento / descarga da camada dupla⁶. Portanto, ao contrário do EIS, onde vários fenômenos são acoplados, cFRA pode ajudar a identific…

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