結論


本文提供的數據代表了平面空氣呼吸電池陰極上方溫度和反應物種類(lèi)分布的現場(chǎng)測量結果。這些測量提供了對吸氣式燃料電池中熱量和質(zhì)量傳輸特性的深入了解。


在IV極化過(guò)程中，對空氣呼吸燃料電池陰極表面上方的溫度、PO2和PH2O的微傳感器測量反映了這些量隨電流密度的增加而發(fā)生的實(shí)質(zhì)性變化。隨著(zhù)電流密度的增加，觀(guān)察到PO2線(xiàn)性減少，PH2O線(xiàn)性增加，這與通量平衡一致。隨著(zhù)電流密度的增加，最大功率點(diǎn)附近的相對濕度最大值與PH2O的線(xiàn)性增加和溫度的指數增加相一致。


我們的空間分辨z剖面測量表明，熱效應和反應物種效應延伸至陰極表面上方6 mm處?；パa的y型測量結果表明，陰極肋結構也明顯影響氧分布（盡管肋對沿y方向的溫度分布幾乎沒(méi)有影響）。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GDL，而是ex）遠高于燃料電池陰極表面。由于這些影響延伸到陰極表面上方的自由空氣區域，因此主要的含義是，燃料電池周?chē)鷮α鳝h(huán)境的變化會(huì )對這些影響產(chǎn)生重大影響。這意味著(zhù)，旨在增強自然對流或提供少量強制流（例如，通過(guò)低功率、低速風(fēng)扇）的結構修改可產(chǎn)生顯著(zhù)的效益。


空間測量用于估算陰極表面上方的擴散和/或對流傳質(zhì)系數。這些估計值在氧和水在空氣中自由擴散系數預測值的2倍以?xún)?。對流傳質(zhì)系數也與我們的自由對流質(zhì)量和熱傳輸模型一致。19瞬態(tài)測量顯示，與氧、水和熱傳輸相關(guān)的時(shí)間常數存在顯著(zhù)差異。陰極表面以上的PO2對操作條件的變化反應迅速，單指數時(shí)間常數約為6 s。相反，溫度響應呈現指數瞬態(tài)，時(shí)間常數約為20 s，隨后隨時(shí)間線(xiàn)性增加。指數瞬態(tài)可能與電池的熱質(zhì)量和熱擴散層的堆積有關(guān)。溫升的線(xiàn)性成分很可能與陰極泛洪以及隨后由于傳質(zhì)損失增加而導致的電池自加熱增加有關(guān)。電流加載期間記錄的PH2O瞬態(tài)顯示出快速的初始指數瞬態(tài)；但不幸的是，由于固有傳感器響應時(shí)間-14 s的限制，該PH2O的時(shí)間常數沒(méi)有得到解析。我們還得出結論，傳感器的瞬態(tài)響應不夠快，無(wú)法準確估計傳質(zhì)系數。


PO2時(shí)間常數和熱瞬態(tài)之間的顯著(zhù)差異可用于解耦質(zhì)量和傳熱效應。我們假設“氧氣中斷”實(shí)驗24可能用于這種努力。與電流中斷實(shí)驗中使用的電流脈沖相同，氧氣中斷實(shí)驗將使用輸送至燃料電池陰極表面的強制空氣、氧氣或氬氣的尖銳脈沖，以突然改變氧氣濃度。然后可以記錄和分析燃料電池電流（恒電位模式）或電壓（恒電流模式）的瞬態(tài)響應。Al）盡管對流“脈沖”也可能改變擴散層中的傳熱特性，從而改變陰極溫度，但由于時(shí)間尺度不同，質(zhì)量和熱效應可以彼此解耦。脈沖的傳質(zhì)影響（例如，對于純氧脈沖，從PO2=0.21 atm到PO2=1 atm，或者對于氬脈沖，從PO2=0 atm到PO2=0 atm）將遠大于脈沖的熱影響（因為增加的對流可能只導致微小的溫度變化），這一事實(shí)也有助于這種解耦?？紤]到這種可能性，我們計劃對被動(dòng)空氣呼吸燃料電池的這種氧不可知因素進(jìn)行詳細的研究，作為未來(lái)的工作。


最后，我們還在進(jìn)行被動(dòng)空氣呼吸燃料電池的建模工作。這些模型利用定量傳輸數據和從本研究中獲得的空間剖面測量，以提供呼吸空氣燃料電池陰極傳輸的合理、基于經(jīng)驗的圖片。這些模型將受益于此處提供的驗證數據，并可能為平面空氣呼吸燃料電池的設計改進(jìn)方向指明方向。


致謝


作者承認與John Eaton教授就微傳感器的放置和定位及其對陰極傳輸的潛在影響進(jìn)行了有益的討論。


斯坦福大學(xué)協(xié)助支付了這篇文章的出版費用。


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