Les piles à combustible joueront un rôle majeur à l’avenir. Notre protocole décrit une nouvelle méthode pour diagnostiquer les états de panne majeurs de ces dispositifs tels que la dégradation, les inondations ou l’empoisonnement. Contrairement à d’autres techniques comme par exemple la spectroscopie d’impédance électrochimique, cette méthodologie peut être utilisée pour dissocier l’impact d’une dynamique spécifique sur les performances des piles à combustible polymères facilitant une identification moins ambiguë des défauts.
La procédure sera démontrée par Tobias Franz, un étudiant en master de mon laboratoire. Pour l’assemblage des piles à combustible, placez la plaque bipolaire cathodique sur une surface lisse et robuste avec le côté champ d’écoulement vers le haut et placez le joint sur le dessus de la plaque aligné avec les trous de vis. Placez la couche de diffusion du gaz cathodique au milieu du joint et ajoutez le dessus de la membrane recouverte de catalyseurs aligné avec les trous de vis.
Placez la couche de diffusion du gaz anode et le joint sur le dessus de la membrane recouverte de catalyseur s’assurant que le joint s’aligne avec les trous de vis. Placez le côté du champ d’écoulement bipolaire de plaque d’anode vers le bas sur le dessus du joint et fixez les pièces avec des vis. Ensuite, placez la plaque d’extrémité en acier inoxydable cathodique sur une surface lisse et robuste et placez un morceau rectangulaire de téflon et un collecteur de courant de cuivre sur le dessus du téflon alignant les deux pièces avec les trous de boulon.
Placez le côté cathodique de l’unité cellulaire assemblée sur le collecteur de courant cathodique en tenant compte des encoches dans les champs d’écoulement. Slot le côté anode de l’unité sur le collecteur de courant d’anode avec les joints en téflon positionnés avec la plaque d’extrémité en acier inoxydable anode sur le dessus. Placez les manches isolants, l’anneau O et les boulons dans les trous de la plaque d’extrémité de l’anode, tournez la cellule verticale et placez les manches isolants, l’anneau O et les écrous sur les boulons du côté cathodique de l’appareil.
Ensuite, utilisez une clé de couple pour serrer les boulons dans le sens inverse jusqu’à ce que la valeur de couple recommandée de cinq mètres Newton est atteint, augmentant le couple d’un mètre Newton par cycle transversal. Pour l’intégration de la pile à combustible à la périphérie, placez l’unité de pile à combustible dans une boîte chauffante et connectez les entrées et les prises à la périphérie. Insérez le thermocouple dans la plaque d’extrémité cathodique et interfacez la pile à combustible avec le potentiostat à la configuration de l’électrode.
Démarrez le logiciel utilisé pour contrôler la périphérie cellulaire et sélectionnez les valeurs des débits de gaz d’entrée d’anode et de cathode. Sélectionnez la température des gaz d’entrée. Allumez les bandes chauffantes et attendez que la température du point de terminaison soit atteinte.
Réglez la température des thermostats pour définir la température désirée du point de rosée des gaz d’entrée et allumez les thermostats. Réglez la température choisie de la pile à combustible sur le panneau de commande de la boîte chauffante et allumez le chauffage. Lorsque la température du point de terminaison de la pile à combustible est atteinte, vérifiez l’état d’humidification des gaz de l’entrée et vérifiez le potentiel des piles à combustible à circuit ouvert.
Pour effectuer une expérience de réponse de fréquence alternant concentration, poussez doucement vers le bas sur le piston de la partie supérieure d’un capteur d’oxygène de fibre pour exposer la partie sensible de la fibre. Ensuite, placez la fibre au centre du tube à l’entrée de la cellule. Ouvrez le logiciel de capteur et réglez l’intervalle d’échantillonnage à 0,15 seconde afin de permettre la détection d’un signal périodique jusqu’à une période d’un hertz.
Ouvrez le logiciel d’électrochimie pour modifier la procédure d’analyse de réponse de fréquence alternant la concentration et dans la section d’action sélectionnez la nouvelle procédure. Dans les commandes, sélectionnez l’icône de commande et insérez l’icône dans l’espace de travail. Dans les propriétés, sélectionnez le mode sur galvanostatic et la cellule sur commande plaçant la commande à côté de l’icône de commande.
Ajoutez la commande linéaire d’escalier de voltammétrie de balayage de la voltammetry cyclique et linéaire de balayage de mesure. Dans les propriétés, réglez le courant de démarrage à 0,0 ampères et la valeur de courant d’arrêt à l’état stable. Réglez le taux d’analyse à 0,005 ampères par seconde et l’étape à 0,1 ampères.
Insérez deux commandes de signal record. Dans les propriétés, réglez la durée à 7 200 secondes et le temps d’échantillonnage par intervalle à 0,5 seconde pour les deux commandes. Notez que la première fenêtre d’enregistrement est utilisée pour surveiller comment le signal de sortie s’approche des conditions périodiques d’état stable tandis que la seconde est d’enregistrer le signal de sortie périodique à l’état stable qui est analysé.
Ajoutez une commande de répétition pour définir la même étape à répéter 20 fois. Appuyez sur jouer pour démarrer le programme de réponse de fréquence s’alternant avec la concentration. Dans la première série de répétitions, observez la fenêtre d’enregistrement pour vérifier si le potentiel de la cellule atteint la valeur de l’état stable.
Pour assurer une réponse linéaire, ouvrez la valve d’oxygène supplémentaire et réglez le contrôleur de débit de masse à 5 % de la valeur du débit total de l’alimentation principale. Réglez l’heure de commutation de la vanne à une valeur initiale de 0,5 seconde et cliquez sur démarrer. Ensuite, attendez que le potentiel de la cellule atteint un état stable périodique dans la fenêtre de surveillance avant de cliquer ensuite.
L’échantillonnage du potentiel dans un état quasi stable est nécessaire pour obtenir des spectres exempts d’artefacts, car la présence d’un signal dérivant pourrait mener à des conclusions trompeuses. Enregistrez le signal périodique à l’état stable dans la nouvelle fenêtre d’enregistrement pendant 60 secondes et cliquez à nouveau. Dans le même temps, enregistrez l’entrée périodique d’oxygène et cliquez sur démarrer dans le logiciel de capteur.
Entrez un nom qui rappelle l’entrée de fréquence et cliquez sur OK. Enregistrez ensuite le signal pendant 60 secondes et cliquez sur arrêter. En répétant les étapes précédentes, mesurez les corrélations périodiques entre les entrées et les sorties pour les signaux dont la période varie entre huit et 1 000 microhertz, tout en acquérant huit points de fréquence par décennie. À des fréquences inférieures à 100 microhertz, échantillonner les signaux pour une plage de temps équivalente à cinq périodes.
Pour analyser les données de réponse de fréquence alternant concentration, ouvrez les scripts MATLAB FFT_input. tapis et FFT_output.mat. Dans le dossier d’adresse, insérez les spécifications de l’emplacement du dossier dans lequel la pression mesurée de l’oxygène et les fichiers de données actuels sont stockés.
Dirigez le FFT_po2. tapis et FFT_pot. scripts tapis et vérifier les diagrammes tracés pour déterminer si l’algorithme calculé fonctionne correctement.
Ensuite, ouvrez et exécutez le script MATLAB cfra_spectra.mat. L’ampleur, l’angle de phase et les spectres nyquistes de la fonction de transfert d’analyse de la réponse de fréquence alternant la concentration dans des conditions galvanostatiques seront tracés. Dans cette analyse représentative, la magnitude de spectroscopie d’impedance électrochimique et les spectres de parcelle de bode de phase ont d’abord été mesurés à trois densités actuelles régulières différentes sous le contrôle galvanostatique.
Ici, on peut observer des apports périodiques exemplaires de pression d’oxygène à deux fréquences différentes et leurs transformations fourier. Les magnitudes des harmoniques ont été normalisées par rapport à l’harmonique fondamentale et l’entrée de pression à une fréquence de 49 microhertz a été caractérisée par une forme sinusoïde. L’entrée de pression à une fréquence inférieure ressemblait à une forme périodique d’onde carrée et la transformation normalisée connexe de Fourier reflétait parfaitement celle d’un signal d’onde carré présentant des composants harmoniques descendant à plusieurs fréquences impaires d’entier par rapport à la fréquence fondamentale.
Les réponses potentielles de cellules ont présenté des dispositifs identiques. Notez qu’une analyse spectrale de l’entrée et de la sortie effectuée sur un nombre non intégreur de cycles périodiques pourrait entraîner des résultats trompeurs en raison de l’effet de la fuite spectrale. Dans ce cas, le signal est caractérisé par une bande passante sonore plus exprimée à la fréquence fondamentale.
En outre, la magnitude est d’environ 90% du signal correctement traité. Pour éviter la fuite spectrale, une procédure de vitrage doit être appliquée sur tout signal analysé. Ici, des spectres d’analyse de réponse de fréquence concentration-alternant mesurés dans des conditions voltastatiques et galvanostatic dans les mêmes conditions stables d’état que dans les spectres électrochimiques de spectroscopie d’impedance sont montrés.
Comme on l’a observé dans la région à haute fréquence, les spectres voltastatiques et galvanostatiques d’analyse de la réponse de fréquence alternant concentration ne démontrent aucune sensibilité à la dynamique de charge/déchargement à double couche. Les spectres cFRA ne sont sensibles qu’aux transitoires liés aux phénomènes de transport de masse. Pour éviter les contributions non désirables aux spectres évalués, mesurez le potentiel cellulaire dans des conditions d’état quasi stable et échantillonner un nombre suffisant de périodes afin d’augmenter le rapport signal-bruit.
Ainsi, en plus des diagnostics, le fonctionnement des piles à combustible électrochimiques et des réacteurs dans des conditions périodiques introduit une possibilité supplémentaire d’impact sur l’efficacité de conversion énergétique ainsi que la sélectivité des produits des processus électrochimiques.
