介紹

采用微米和毫米級(jí)傳感器首次對(duì)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）平面水平陰極正上方的傳質(zhì)層中的溫度、氧分壓和相對(duì)濕度的時(shí)空分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量由自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)。傳感器提供大約1毫米（或更好）的空間分辨率和1秒的時(shí)間分辨率。在電流-電壓（I–V）掃描期間，隨著電流密度的增加，觀察到溫度和反應(yīng)物種濃度的顯著變化。隨著電流密度的增加，氧分壓線性下降，水蒸氣分壓線性上升，這與通量平衡分析一致。垂直于表面的空間分辨輪廓表明，熱和反應(yīng)物種梯度延伸至水平陰極表面上方6 mm?；パa(bǔ)水平剖面（平行于表面）表明電池的陰極肋結(jié)構(gòu)明顯影響氧氣分布。最重要的是，這些數(shù)據(jù)表明，熱效應(yīng)和物種濃度效應(yīng)并不局限于氣體擴(kuò)散層（GDL），而是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出陰極表面，延伸到周圍空間。測(cè)量結(jié)果用于估算陰極表面上方的擴(kuò)散和/或?qū)α鱾髻|(zhì)系數(shù)。瞬態(tài)數(shù)據(jù)顯示，與氧、水和熱傳輸相關(guān)的時(shí)間常數(shù)存在顯著差異。本研究提供的見解將有助于提供和驗(yàn)證空氣呼吸燃料電池系統(tǒng)的未來(lái)物理模型。

被動(dòng)空氣呼吸燃料電池依靠自然對(duì)流來(lái)去除肝臟中的氧化劑，并從陰極表面去除水分和熱量。在操作過(guò)程中，熱量和水的產(chǎn)生以及氧氣的消耗會(huì)引起陰極表面上方的溫度和濃度梯度。這些梯度引起空氣密度的變化，從而推動(dòng)自然對(duì)流過(guò)程。盡管這些耦合的質(zhì)量和熱傳遞過(guò)程在決定性能方面起著關(guān)鍵作用，但在被動(dòng)空氣呼吸燃料電池系統(tǒng)的背景下，尚未對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)研究。

采用各種原位探測(cè)技術(shù)，在一定程度上研究了強(qiáng)制流動(dòng)燃料電池的非均勻溫度和濃度效應(yīng)。例如，幾個(gè)小組最近報(bào)告了在監(jiān)測(cè)強(qiáng)制流動(dòng)單電池和電池堆中溫度和物種分布的空間和/或節(jié)拍變化方面的進(jìn)展。Mench等人1使用了一個(gè)多端口、分段、蛇形電池，與氣相色譜儀（GC）連接，允許在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中對(duì)溫度、水蒸氣、氮、氧和電流密度分布進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)時(shí)空測(cè)定。其系統(tǒng)的時(shí)間分辨率受氣相色譜2分鐘分析時(shí)間的限制，而空間分辨率受物種提取口間距的限制，物種提取口位于固定位置，相距約1.2 cm。更確切地說(shuō)，包括橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的T.J.McIn）tyre在內(nèi)的能源部項(xiàng)目組1開發(fā)了自由空間微型探頭和單片集成光纖傳感器，用于監(jiān)測(cè)運(yùn)行燃料電池堆內(nèi)溫度和固相的時(shí)空分布。由于水動(dòng)力學(xué)在大多數(shù)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）設(shè)計(jì)中具有特別重要的意義，因此也對(duì)中子成像、2-4磁共振成像、5,6和op）透明電池7,8進(jìn)行了大量的研究，以便對(duì)運(yùn)行中的PEMFC中水的原位生產(chǎn)和分布進(jìn)行成像。與強(qiáng)制流動(dòng)燃料電池相比，平面空氣呼吸燃料電池提供了令人羨慕的進(jìn)入陰極表面的通道。這種開放式結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)來(lái)獲取陰極表面附近自由對(duì)流質(zhì)量傳輸過(guò)程的詳細(xì)、高分辨率信息。

在本文中，我們使用微米和毫米級(jí)溫度、氧氣和濕度傳感器測(cè)量自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)的平面水平PEM燃料電池陰極上方質(zhì)量傳輸層中溫度、氧氣分壓和相對(duì)濕度（RH）的空間和時(shí)間分布。通過(guò)將電池安裝在光學(xué)XYZ平移臺(tái)上，獲得空間分辨率的溫度和物種分布?？臻g分辨率小于1mm；這主要受到測(cè)量不確定度和mi傳感器物理尺寸的限制。很容易實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的時(shí)間分辨率；這在很大程度上受到微傳感器響應(yīng)時(shí)間的限制。這些空間和時(shí)間測(cè)量提供了第一次對(duì)吸氣式燃料電池陰極的擴(kuò)散層厚度、時(shí)間常數(shù)和傳遞系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)量化。研究結(jié)果有助于深入了解控制被動(dòng)式空氣呼吸燃料電池性能的過(guò)程，為新的診斷測(cè)試程序提供依據(jù)，并為未來(lái)的空氣呼吸燃料電池設(shè)計(jì)提供方向。

測(cè)量無(wú)對(duì)流燃料電池陰極擴(kuò)散層中溫度和反應(yīng)——介紹

測(cè)量無(wú)對(duì)流燃料電池陰極擴(kuò)散層中溫度和反應(yīng)——實(shí)驗(yàn)

測(cè)量無(wú)對(duì)流燃料電池陰極擴(kuò)散層中溫度和反應(yīng)——結(jié)果與討論

測(cè)量無(wú)對(duì)流燃料電池陰極擴(kuò)散層中溫度和反應(yīng)——結(jié)論、致謝！