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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(shí)空分布進(jìn)行了實(shí)驗測量由自然對流驅動(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(zhù)電流密度的增加，觀(guān)察到溫度和反應物種濃度的顯著(zhù)變化。隨著(zhù)電流密度的增加，氧分壓線(xiàn)性下降，水蒸氣分壓線(xiàn)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構明顯影響氧氣分布。最重要的是，這些數據表明，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?chē)臻g。測量結果用于估算陰極表面上方的擴散和/或對流傳質(zhì)系數。瞬態(tài)數據顯示，與氧、水和熱傳輸相關(guān)的時(shí)間常數存在顯著(zhù)差異。本研究提供的見(jiàn)解將有助于提供和驗證空氣呼吸燃料電池系統的未來(lái)物理模型。
被動(dòng)空氣呼吸燃料電池依靠自然對流來(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(zhù)關(guān)鍵作用，但在被動(dòng)空氣呼吸燃料電池系統的背景下，尚未對其進(jìn)行仔細研究。
采用各種原位探測技術(shù)，在一定程度上研究了強制流動(dòng)燃料電池的非均勻溫度和濃度效應。例如，幾個(gè)小組最近報告了在監測強制流動(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，允許在燃料電池運行過(guò)程中對溫度、水蒸氣、氮、氧和電流密度分布進(jìn)行現場(chǎng)時(shí)空測定。其系統的時(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(shù)嶺國家實(shí)驗室的T.J.McIn）tyre在內的能源部項目組1開(kāi)發(fā)了自由空間微型探頭和單片集成光纖傳感器，用于監測運行燃料電池堆內溫度和固相的時(shí)空分布。由于水動(dòng)力學(xué)在大多數聚合物電解質(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(jìn)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(jìn)行成像。與強制流動(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(kāi)放式結構提供了一個(gè)獨特的機會(huì )來(lái)獲取陰極表面附近自由對流質(zhì)量傳輸過(guò)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(shí)現秒級的時(shí)間分辨率；這在很大程度上受到微傳感器響應時(shí)間的限制。這些空間和時(shí)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(shí)間常數和傳遞系數進(jìn)行實(shí)驗量化。研究結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，為新的診斷測試程序提供依據，并為未來(lái)的空氣呼吸燃料電池設計提供方向。
測量無(wú)對流燃料電池陰極擴散層中溫度和反應——實(shí)驗
