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介紹
采用微米和毫米級傳感器首次對聚合物電解質(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、氧分壓和相對濕度的時空分布進行了實驗測量由自然對流驅(qū)動。傳感器提供大約1毫米（或更好）的空間分辨率和1秒的時間分辨率。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，熱和反應物種梯度延伸至水平陰極表面上方6 mm?；パa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，熱效應和物種濃度效應并不局限于氣體擴散層（GDL），而是遠遠超出陰極表面，延伸到周圍空間。測量結(jié)果用于估算陰極表面上方的擴散和/或?qū)α鱾髻|(zhì)系數(shù)。瞬態(tài)數(shù)據(jù)顯示，與氧、水和熱傳輸相關的時間常數(shù)存在顯著差異。本研究提供的見解將有助于提供和驗證空氣呼吸燃料電池系統(tǒng)的未來物理模型。
被動空氣呼吸燃料電池依靠自然對流來去除肝臟中的氧化劑，并從陰極表面去除水分和熱量。在操作過程中，熱量和水的產(chǎn)生以及氧氣的消耗會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，從而推動自然對流過程。盡管這些耦合的質(zhì)量和熱傳遞過程在決定性能方面起著關鍵作用，但在被動空氣呼吸燃料電池系統(tǒng)的背景下，尚未對其進行仔細研究。
采用各種原位探測技術，在一定程度上研究了強制流動燃料電池的非均勻溫度和濃度效應。例如，幾個小組最近報告了在監(jiān)測強制流動單電池和電池堆中溫度和物種分布的空間和/或節(jié)拍變化方面的進展。Mench等人1使用了一個多端口、分段、蛇形電池，與氣相色譜儀（GC）連接，允許在燃料電池運行過程中對溫度、水蒸氣、氮、氧和電流密度分布進行現(xiàn)場時空測定。其系統(tǒng)的時間分辨率受氣相色譜2分鐘分析時間的限制，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，包括橡樹嶺國家實驗室的T.J.McIn）tyre在內(nèi)的能源部項目組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)測運行燃料電池堆內(nèi)溫度和固相的時空分布。由于水動力學在大多數(shù)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）設計中具有特別重要的意義，因此也對中子成像、2-4磁共振成像、5,6和op）透明電池7,8進行了大量的研究，以便對運行中的PEMFC中水的原位生產(chǎn)和分布進行成像。與強制流動燃料電池相比，平面空氣呼吸燃料電池提供了令人羨慕的進入陰極表面的通道。這種開放式結(jié)構(gòu)提供了一個獨特的機會來獲取陰極表面附近自由對流質(zhì)量傳輸過程的詳細、高分辨率信息。
在本文中，我們使用微米和毫米級溫度、氧氣和濕度傳感器測量自然對流驅(qū)動的平面水平PEM燃料電池陰極上方質(zhì)量傳輸層中溫度、氧氣分壓和相對濕度（RH）的空間和時間分布。通過將電池安裝在光學XYZ平移臺上，獲得空間分辨率的溫度和物種分布?？臻g分辨率小于1mm；這主要受到測量不確定度和mi傳感器物理尺寸的限制。很容易實現(xiàn)秒級的時間分辨率；這在很大程度上受到微傳感器響應時間的限制。這些空間和時間測量提供了第一次對吸氣式燃料電池陰極的擴散層厚度、時間常數(shù)和傳遞系數(shù)進行實驗量化。研究結(jié)果有助于深入了解控制被動式空氣呼吸燃料電池性能的過程，為新的診斷測試程序提供依據(jù)，并為未來的空氣呼吸燃料電池設計提供方向。
