Las células de combustible van a desempeñar un papel importante en el futuro. Nuestro protocolo describe un nuevo método para diagnosticar los principales estados de falla de estos dispositivos, como la degradación, la inundación o la intoxicación. A diferencia de otras técnicas como, por ejemplo, la espectroscopia de impedancia electroquímica, esta metodología se puede utilizar para desacoplar el impacto de la dinámica específica en las prestaciones de la pila de combustible de polímero facilitando una identificación de fallas menos ambigua.
El procedimiento lo demostrará Tobias Franz, un estudiante de maestro de mi laboratorio. Para el montaje de la pila de combustible, coloque la placa bipolar del cátodo sobre una superficie lisa y robusta con el lado del campo de flujo hacia arriba y coloque la junta en la parte superior de la placa alineada con los orificios de los tornillos. Coloque la capa de difusión de gas cátodo en el centro de la junta y agregue la parte superior de membrana recubierta de catalizador alineada con los orificios de tornillo.
Coloque la capa de difusión de gas del ánodo y la junta en la parte superior de la membrana recubierta con catalizador, asegurándose de que la junta se alinea con los orificios de tornillo. Coloque el campo de flujo de placa bipolar de ánodo hacia abajo en la parte superior de la junta y fije las piezas junto con tornillos. A continuación, coloque la placa de extremo de acero inoxidable cátodo sobre una superficie lisa y robusta y coloque una pieza rectangular de teflón y un colector de corriente de cobre en la parte superior del teflón alineando ambas piezas con los orificios del perno.
Ranurar el lado cátodo de la unidad de celda montada en el colector de corriente catódo teniendo en cuenta las muescas en los campos de flujo. Coloque el lado del ánodo de la unidad en el colector de corriente de ánodo con las juntas de teflón colocadas con la placa de extremo de acero inoxidable del ánodo en la parte superior. Coloque los manguitos aislantes, la junta tórica y los pernos en los orificios de la placa del extremo del ánodo, gire la celda vertical y coloque los manguitos aislantes, la junta tórica y las tuercas en los pernos del lado del cátodo de la unidad.
A continuación, utilice una llave de torsión para apretar los pernos transversalmente hasta que se alcance el valor de par recomendado de cinco metros Newton, aumentando el par en un metro Newton por ciclo transversal. Para la integración de la pila de combustible con la periferia, coloque la unidad de pila de combustible en una caja de calefacción y conecte las entradas y salidas a la periferia. Inserte el termopar en la placa final del cátodo e interconecte la pila de combustible con el potenciostato a la configuración del electrodo.
Inicie el software utilizado para controlar la periferia de la célula y seleccione los valores de los caudales de flujo de gas de entrada de ánodo y cátodo. Seleccione la temperatura de los gases de entrada. Encienda las cintas de calefacción y espere hasta que se alcance la temperatura de consigna.
Ajuste las temperaturas de los termostatos para definir la temperatura deseada del punto de rocío de los gases de entrada y encienda los termostatos. Ajuste la temperatura elegida de la pila de combustible en el panel de control de la caja de calefacción y encienda la calefacción. Cuando se alcance la temperatura de consigna de la pila de combustible, compruebe el estado de humidificación de los gases de entrada y compruebe el potencial de la célula de circuito abierto de la pila de combustible.
Para realizar un experimento de respuesta de frecuencia de concentración-alternación, empuje suavemente hacia abajo sobre el émbolo de la parte superior de un sensor de oxígeno de fibra para exponer la parte sensible de la fibra. A continuación, coloque la fibra en el centro del tubo en la entrada de la célula. Abra el software del sensor y establezca el intervalo de muestreo en 0,15 segundos para permitir la detección de una señal periódica hasta un período de un hercio.
Abra el software de electroquímica para editar el procedimiento de análisis de respuesta de frecuencia de concentración-alternancia y en la sección de acción seleccione un nuevo procedimiento. En los comandos, seleccione el icono de control e inserte el icono en el espacio de trabajo. En propiedades, seleccione el modo en galvanostático y la celda en el comando que coloca el comando junto al icono de control.
Agregue el comando de escalera de voltammetría de barrido lineal de la medición voltammetría de barrido cíclico y lineal. En propiedades, establezca la corriente de inicio en 0,0 amperios y el valor de stop current en el estado estable. Establezca la velocidad de escaneo en 0,005 amperios por segundo y el paso en 0,1 amperios.
Inserte dos comandos de señal de registro. En propiedades, establezca la duración en 7. 200 segundos y el tiempo de muestreo del intervalo en 0,5 segundos para ambos comandos. Observe que la primera ventana de grabación se utiliza para monitorear cómo la señal de salida se acerca a las condiciones de estado estacionario periódicas mientras que la segunda es registrar la señal de salida periódica del estado estacionario que se analiza.
Agregue un comando de repetición para establecer el mismo paso que se repetirá 20 veces. Pulse play para iniciar el programa de respuesta de frecuencia de concentración-alternación. En el primer conjunto de repeticiones, observe la ventana de grabación para comprobar si el potencial de celda alcanza el valor de estado estable.
Para garantizar una respuesta lineal, abra la válvula de oxígeno adicional y ajuste el controlador de flujo de masa al 5% del valor del caudal total de la alimentación principal. Ajuste el tiempo de conmutación de la válvula a un valor inicial de 0,5 segundos y haga clic en iniciar. A continuación, espere hasta que el potencial de celda alcance un estado estable periódico en la ventana de supervisión antes de hacer clic en Siguiente.
El muestreo del potencial en condiciones de estado cuasi estable es necesario para obtener espectros libres de artefactos, ya que la presencia de señal de deriva podría conducir a conclusiones engañosas. Registre la señal de estado estacionario periódica en la nueva ventana de grabación durante 60 segundos y haga clic en siguiente otra vez. Al mismo tiempo, registre la entrada periódica de oxígeno y haga clic en start en el software del sensor.
Escriba un nombre que recupere la entrada de frecuencia y haga clic en Aceptar. A continuación, registre la señal durante 60 segundos y haga clic en stop. Repitiendo los pasos anteriores, mida las correlaciones periódicas de entrada/salida para señales con un período en un rango de frecuencia de ocho a 1.000 microhercios mientras adquiere ocho puntos de frecuencia por década. A frecuencias inferiores a 100 microhercios, muestree las señales durante un intervalo de tiempo equivalente a cinco períodos.
Para analizar los datos de respuesta de frecuencia de concentración y alternancia, abra los scripts de MATLAB FFT_input. mat y FFT_output.mat. En la carpeta de direcciones, inserte las especificaciones de la ubicación de la carpeta en la que se almacenan la presión de oxígeno medida y los archivos de datos actuales.
Ejecuta el FFT_po2. estera y FFT_pot. mat scripts y compruebe los diagramas trazados para determinar si el algoritmo calculado funciona correctamente.
A continuación, abra y ejecute el script matLAB cfra_spectra.mat. Se trazarán la magnitud, el ángulo de fase y los espectros de Nyquist de la función de transferencia de respuesta de frecuencia de concentración-alternancia en condiciones galvanostáticas. En este análisis representativo, la magnitud de la espectroscopia de impedancia electroquímica y los espectros de la gráfica de bode de fase se midieron por primera vez en tres densidades de corriente de estado estacionario diferentes bajo control galvanostático.
Aquí, se pueden observar entradas periódicas ejemplares de presión de oxígeno a dos frecuencias diferentes y sus transformaciones de Fourier. Las magnitudes de los armónicos se normalizaron con respecto al armónico fundamental y la entrada de presión a una frecuencia de 49 microhercios se caracterizó por una forma sinusoidal. La entrada de presión a una frecuencia más baja se asemejaba a una forma de onda cuadrada periódica y la transformación de Fourier normalizada relacionada reflejaba perfectamente la de una señal de onda cuadrada que presentaba componentes armónicos descendentes a múltiples frecuencias enteras impares con respecto a la fundamental.
Las respuestas potenciales de la célula presentaban características idénticas. Tenga en cuenta que un análisis espectral de la entrada y salida realizado en un número no entero de ciclos periódicos podría dar lugar a resultados engañosos debido al efecto de la fuga espectral. En este caso, la señal se caracteriza por un ancho de banda de ruido más expresado en la frecuencia fundamental.
Además, la magnitud es aproximadamente el 90% de la señal debidamente procesada. Para evitar la fuga espectral, se debe aplicar un procedimiento de ventana en cualquier señal analizada. Aquí, se muestran los espectros de análisis de frecuencia de concentración-alternación medidos en condiciones voltáticas y galvanostáticas en las mismas condiciones de estado estacionario que en las especificaciones de espectroscopia de impedancia electroquímica.
Como se observa en la región de alta frecuencia, los espectros de análisis de respuesta de frecuencia de concentración voltática y galvanostática de concentración alternantes no demuestran sensibilidad a la dinámica de carga/descarga de doble capa. Los espectros cFRA son sensibles sólo a los transitorios relacionados con los fenómenos de transporte masivo. Para evitar contribuciones no deseadas a los espectros evaluados, mida el potencial celular en condiciones de estado cuasi estable y muestree un número suficiente de período para aumentar la relación señal-ruido.
Por lo tanto, además del diagnóstico, el funcionamiento de las pilas de combustible electroquímicos y reactores en condiciones periódicas introduce una posibilidad adicional de afectar la eficiencia de conversión de energía, así como la selectividad del producto de los procesos electroquímicos.
