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結(jié)論
本文提供的數(shù)據(jù)代表了平面空氣呼吸電池陰極上方溫度和反應(yīng)物種類分布的現(xiàn)場測量結(jié)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)生的實質(zhì)性變化。隨著電流密度的增加，觀察到PO2線性減少，PH2O線性增加，這與通量平衡一致。隨著電流密度的增加，最大功率點(diǎn)附近的相對濕度最大值與PH2O的線性增加和溫度的指數(shù)增加相一致。
我們的空間分辨z剖面測量表明，熱效應(yīng)和反應(yīng)物種效應(yīng)延伸至陰極表面上方6 mm處。互補(bǔ)的y型測量結(jié)果表明，陰極肋結(jié)構(gòu)也明顯影響氧分布（盡管肋對沿y方向的溫度分布幾乎沒有影響）。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GDL，而是ex）遠(yuǎn)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(qū)域，因此主要的含義是，燃料電池周圍對流環(huán)境的變化會對這些影響產(chǎn)生重大影響。這意味著，旨在增強(qiáng)自然對流或提供少量強(qiáng)制流（例如，通過低功率、低速風(fēng)扇）的結(jié)構(gòu)修改可產(chǎn)生顯著的效益。
空間測量用于估算陰極表面上方的擴(kuò)散和/或?qū)α鱾髻|(zhì)系數(shù)。這些估計值在氧和水在空氣中自由擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測值的2倍以內(nèi)。對流傳質(zhì)系數(shù)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)的時間常數(shù)存在顯著差異。陰極表面以上的PO2對操作條件的變化反應(yīng)迅速，單指數(shù)時間常數(shù)約為6 s。相反，溫度響應(yīng)呈現(xiàn)指數(shù)瞬態(tài)，時間常數(shù)約為20 s，隨后隨時間線性增加。指數(shù)瞬態(tài)可能與電池的熱質(zhì)量和熱擴(kuò)散層的堆積有關(guān)。溫升的線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(dǎo)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(shù)瞬態(tài)；但不幸的是，由于固有傳感器響應(yīng)時間-14 s的限制，該P(yáng)H2O的時間常數(shù)沒有得到解析。我們還得出結(jié)論，傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)不夠快，無法準(zhǔn)確估計傳質(zhì)系數(shù)。
PO2時間常數(shù)和熱瞬態(tài)之間的顯著差異可用于解耦質(zhì)量和傳熱效應(yīng)。我們假設(shè)“氧氣中斷”實驗24可能用于這種努力。與電流中斷實驗中使用的電流脈沖相同，氧氣中斷實驗將使用輸送至燃料電池陰極表面的強(qiáng)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(yīng)。Al）盡管對流“脈沖”也可能改變擴(kuò)散層中的傳熱特性，從而改變陰極溫度，但由于時間尺度不同，質(zhì)量和熱效應(yīng)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(yuǎn)大于脈沖的熱影響（因為增加的對流可能只導(dǎo)致微小的溫度變化），這一事實也有助于這種解耦。考慮到這種可能性，我們計劃對被動空氣呼吸燃料電池的這種氧不可知因素進(jìn)行詳細(xì)的研究，作為未來的工作。
最后，我們還在進(jìn)行被動空氣呼吸燃料電池的建模工作。這些模型利用定量傳輸數(shù)據(jù)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?shù)暮侠怼⒒诮?jīng)驗的圖片。這些模型將受益于此處提供的驗證數(shù)據(jù)，并可能為平面空氣呼吸燃料電池的設(shè)計改進(jìn)方向指明方向。
致謝
作者承認(rèn)與John Eaton教授就微傳感器的放置和定位及其對陰極傳輸?shù)臐撛谟绊戇M(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(fèi)用。
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測量無對流燃料電池陰極擴(kuò)散層中溫度和反應(yīng)——介紹
測量無對流燃料電池陰極擴(kuò)散層中溫度和反應(yīng)——實驗
