An electrochemical impedance model for HTPEM fuel cells
Translated title
En elektrokemisk impedansmodel for HTPEM brændselsceller
Author
Vang, Jakob Rabjerg
Term
4. term
Education
Publication year
2010
Submitted on
2010-06-02
Pages
60
Abstract
Elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) er blevet et populært værktøj til at undersøge PEM-brændselsceller (protonudvekslingsmembran). Metoden bruges til at udskille bidragene fra forskellige tabsmekanismer, men der er fortsat uenighed om, hvordan EIS-data skal tolkes. Ofte anvendes simple ækvivalente kredsløbsmodeller, som kan efterligne de målte spektre, men som ikke forklarer de fysiske årsager bag dem. Denne afhandling udvikler en ny EIS-model for højtemperatur-PEM (HTPEM) brændselsceller baseret på en todimensional finit-volumen-tilgang. Modellen inkluderer katodemasse-transport (gasers bevægelse til reaktionssteder), elektrodekinetik (reaktionshastigheder) og protonledning (transport gennem membranen). Til validering er der målt polarisationskurver og impedansspektre på en BASF Celtec 2100 MEA i en enkeltcelle HTPEM testopstilling. Det lykkedes ikke at tilpasse modellen direkte til måledata. I stedet vurderes modellen ved at sammenligne, hvordan ændringer i driftsparametre påvirker både målinger og modelresultater. En parametervariationsanalyse bruges til at identificere, hvilke fænomener der præger forskellige dele af impedansspektret, og resultaterne antyder, at nogle tolkninger i litteraturen bygger på forkerte antagelser. Konklusionen er, at modellen har potentiale som et nyttigt værktøj i EIS-studier, hvis den forbedres, så den kan tilpasses eksperimentelle data.
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is widely used to study PEM (proton exchange membrane) fuel cells. It helps separate the contributions of different loss mechanisms, yet there is ongoing debate about how to interpret EIS data. Many studies rely on simple equivalent circuit models, which reproduce measured spectra but offer little insight into the underlying physical causes. This thesis develops a new EIS model for high-temperature PEM (HTPEM) fuel cells using a two-dimensional finite-volume approach. The model includes cathode mass transport (movement of gases to reaction sites), electrode kinetics (reaction rates), and proton conduction (transport through the membrane). For validation, polarization curves and impedance spectra were recorded on a BASF Celtec 2100 MEA using a single-cell HTPEM test rig. Directly fitting the model to the measurements was not successful. Instead, the model is assessed by comparing how changes in operating parameters affect both the data and the simulated results. A parameter-variation study is used to identify which phenomena dominate different parts of the impedance spectrum, and the findings suggest that some published interpretations are based on incorrect assumptions. The conclusion is that the model has potential as a useful tool for EIS studies, provided it is improved to enable fitting to experimental data.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents