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结论
本文提供的数据代表了平面空气呼吸电池阴极上方温度和反应物种类分布的现场测量结果。这些测量提供了对吸气式燃料电池中热量和质量传输特性的深入了解。
在IV极化过程中，对空气呼吸燃料电池阴极表面上方的温度、PO2和PH2O的微传感器测量反映了这些量随电流密度的增加而发生的实质性变化。随着电流密度的增加，观察到PO2线性减少，PH2O线性增加，这与通量平衡一致。随着电流密度的增加，最大功率点附近的相对湿度最大值与PH2O的线性增加和温度的指数增加相一致。
我们的空间分辨z剖面测量表明，热效应和反应物种效应延伸至阴极表面上方6 mm处。互补的y型测量结果表明，阴极肋结构也明显影响氧分布（尽管肋对沿y方向的温度分布几乎没有影响）。最重要的是，这些数据表明，热效应和物种浓度效应并不局限于GDL，而是ex）远高于燃料电池阴极表面。由于这些影响延伸到阴极表面上方的自由空气区域，因此主要的含义是，燃料电池周围对流环境的变化会对这些影响产生重大影响。这意味着，旨在增强自然对流或提供少量强制流（例如，通过低功率、低速风扇）的结构修改可产生显著的效益。
空间测量用于估算阴极表面上方的扩散和/或对流传质系数。这些估计值在氧和水在空气中自由扩散系数预测值的2倍以内。对流传质系数也与我们的自由对流质量和热传输模型一致。19瞬态测量显示，与氧、水和热传输相关的时间常数存在显著差异。阴极表面以上的PO2对操作条件的变化反应迅速，单指数时间常数约为6 s。相反，温度响应呈现指数瞬态，时间常数约为20 s，随后随时间线性增加。指数瞬态可能与电池的热质量和热扩散层的堆积有关。温升的线性成分很可能与阴极泛洪以及随后由于传质损失增加而导致的电池自加热增加有关。电流加载期间记录的PH2O瞬态显示出快速的初始指数瞬态；但不幸的是，由于固有传感器响应时间-14 s的限制，该PH2O的时间常数没有得到解析。我们还得出结论，传感器的瞬态响应不够快，无法准确估计传质系数。
PO2时间常数和热瞬态之间的显著差异可用于解耦质量和传热效应。我们假设“氧气中断”实验24可能用于这种努力。与电流中断实验中使用的电流脉冲相同，氧气中断实验将使用输送至燃料电池阴极表面的强制空气、氧气或氩气的尖锐脉冲，以突然改变氧气浓度。然后可以记录和分析燃料电池电流（恒电位模式）或电压（恒电流模式）的瞬态响应。Al）尽管对流“脉冲”也可能改变扩散层中的传热特性，从而改变阴极温度，但由于时间尺度不同，质量和热效应可以彼此解耦。脉冲的传质影响（例如，对于纯氧脉冲，从PO2=0.21 atm到PO2=1 atm，或者对于氩脉冲，从PO2=0 atm到PO2=0 atm）将远大于脉冲的热影响（因为增加的对流可能只导致微小的温度变化），这一事实也有助于这种解耦。考虑到这种可能性，我们计划对被动空气呼吸燃料电池的这种氧不可知因素进行详细的研究，作为未来的工作。
最后，我们还在进行被动空气呼吸燃料电池的建模工作。这些模型利用定量传输数据和从本研究中获得的空间剖面测量，以提供呼吸空气燃料电池阴极传输的合理、基于经验的图片。这些模型将受益于此处提供的验证数据，并可能为平面空气呼吸燃料电池的设计改进方向指明方向。
致谢
作者承认与John Eaton教授就微传感器的放置和定位及其对阴极传输的潜在影响进行了有益的讨论。
斯坦福大学协助支付了这篇文章的出版费用。
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