En guide till koncentration alternerande frekvensrespons analys av bränsleceller
Summary
Vi presenterar ett protokoll för koncentration alternerande frekvensrespons analys av bränsleceller, en lovande ny metod för att studera bränsle cells dynamik.
Abstract
En experimentell inställning som kan generera en periodisk koncentrations ingångs störning av syre användes för att utföra koncentrations-alternerande frekvensrespons-analys (cFRA) på protonväxlingmembraner (PEM) bränsleceller. Vid cFRA-experiment skickades den modulerade koncentrations matningen till cellens katod vid olika frekvenser. Den elektriska reaktionen, som kan vara cellpotential eller ström beroende på den kontroll som tillämpas på cellen, registrerades för att formulera en frekvens Response transfer funktion. Till skillnad från traditionell elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) gör den nya cFRA-metoden det möjligt att separera bidraget från olika masstransport fenomen från de kinetiska laddnings processerna i frekvensrespons spektra av cellen. Dessutom kan cFRA skilja mellan varierande befuktnings tillstånd hos katoden. I det här protokollet är fokus på den detaljerade beskrivningen av proceduren för att utföra cFRA-experiment. De mest kritiska stegen i mätningarna och framtida förbättringar av tekniken diskuteras.
Introduction
Att karakterisera det dynamiska beteendet hos en PEM-bränslecell är viktigt för att förstå vilka mekanismer som dominerar de övergående drifts tillstånden som sänker cellens prestanda. Elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) är den mest använda metoden för att studera PEM-bränslecellsdynamik, på grund av dess förmåga att separera olika process bidrag till den övergripande dynamiska prestandan1,2. Transienta processer med liknande tidskonstanter är dock ofta kopplade till EIS-spektrat, vilket gör det svårt att tolka dem. Av denna anledning har tidigare transienta diagnostiska verktyg baserade på användning av icke-elektriska ingångar i syfte att upptäcka effekterna av ett fåtal eller individuell dynamik utvecklats och föreslagits3,4,5,6,7.
En ny frekvens reaktionsteknik baserad på koncentrationsstörningar ingång och elektriska utgångar som heter koncentration-alternerande frekvens Response analys (cFRA) har utvecklats i vår grupp. Potentialen hos cfra som ett selektivt diagnostiskt verktyg har undersökts teoretiskt och experimentellt6,7. Det konstaterades att cFRA kan separera olika typer av masstransport fenomen och diskriminera mellan de olika drifttillstånden i cellen. I det här protokollet fokuserar vi på steg-för-steg-beskrivning av proceduren för att utföra cFRA-experiment. Monteringen av cellen, dess konditionering och experimentella inställningar för att skapa ett foder med periodisk koncentrations störning, samt dataanalys kommer att visas och diskuteras i detalj. Slutligen kommer de mest kritiska punkterna i förfarandet att belysas och flera strategier för att förbättra kvaliteten och selektivitet cFRA Spectra kommer att precisera.
Protocol
Representative Results
Discussion
I motsats till klassiska EIS är cFRA ett diagnostiskt verktyg inriktat på karakterisering av dynamik i samband med de olika masstransport fenomen som förekommer i bränslecellen. Det är inte kompetent att upptäcka några transienter som har en tidkonstant nedanfört syre diffusionen i elektroden, som for example Ladda/urladdning av det dubbla lagrar6. Därför, till skillnad från EIS där flera fenomen är kopplade, kan cFRA hjälpa till att identifiera mönster som är relaterade till speci…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Max Planck Institute for Dynamics av komplexa tekniska system hjälpte till att uppfylla publikationskostnader i denna artikel.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rannow, M. B. Achieving Efficient Control of Hydraulic Systems Using On/Off Valves. Doctoral Dissertation. , (2016).
