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介绍
采用微米和毫米级传感器首次对聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）平面水平阴极正上方的传质层中的温度、氧分压和相对湿度的时空分布进行了实验测量由自然对流驱动。传感器提供大约1毫米（或更好）的空间分辨率和1秒的时间分辨率。在电流-电压（I–V）扫描期间，随着电流密度的增加，观察到温度和反应物种浓度的显著变化。随着电流密度的增加，氧分压线性下降，水蒸气分压线性上升，这与通量平衡分析一致。垂直于表面的空间分辨轮廓表明，热和反应物种梯度延伸至水平阴极表面上方6 mm。互补水平剖面（平行于表面）表明电池的阴极肋结构明显影响氧气分布。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气体扩散层（GDL），而是远远超出阴极表面，延伸到周围空间。测量结果用于估算阴极表面上方的扩散和/或对流传质系数。瞬态数据显示，与氧、水和热传输相关的时间常数存在显著差异。本研究提供的见解将有助于提供和验证空气呼吸燃料电池系统的未来物理模型。
被动空气呼吸燃料电池依靠自然对流来去除肝脏中的氧化剂，并从阴极表面去除水分和热量。在操作过程中，热量和水的产生以及氧气的消耗会引起阴极表面上方的温度和浓度梯度。这些梯度引起空气密度的变化，从而推动自然对流过程。尽管这些耦合的质量和热传递过程在决定性能方面起着关键作用，但在被动空气呼吸燃料电池系统的背景下，尚未对其进行仔细研究。
采用各种原位探测技术，在一定程度上研究了强制流动燃料电池的非均匀温度和浓度效应。例如，几个小组最近报告了在监测强制流动单电池和电池堆中温度和物种分布的空间和/或节拍变化方面的进展。Mench等人1使用了一个多端口、分段、蛇形电池，与气相色谱仪（GC）连接，允许在燃料电池运行过程中对温度、水蒸气、氮、氧和电流密度分布进行现场时空测定。其系统的时间分辨率受气相色谱2分钟分析时间的限制，而空间分辨率受物种提取口间距的限制，物种提取口位于固定位置，相距约1.2 cm。更确切地说，包括橡树岭国家实验室的T.J.McIn）tyre在内的能源部项目组1开发了自由空间微型探头和单片集成光纤传感器，用于监测运行燃料电池堆内温度和固相的时空分布。由于水动力学在大多数聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）设计中具有特别重要的意义，因此也对中子成像、2-4磁共振成像、5,6和op）透明电池7,8进行了大量的研究，以便对运行中的PEMFC中水的原位生产和分布进行成像。与强制流动燃料电池相比，平面空气呼吸燃料电池提供了令人羡慕的进入阴极表面的通道。这种开放式结构提供了一个独特的机会来获取阴极表面附近自由对流质量传输过程的详细、高分辨率信息。
在本文中，凯发最新官方app下载使用微米和毫米级温度、氧气和湿度传感器测量自然对流驱动的平面水平PEM燃料电池阴极上方质量传输层中温度、氧气分压和相对湿度（RH）的空间和时间分布。通过将电池安装在光学XYZ平移台上，获得空间分辨率的温度和物种分布。空间分辨率小于1mm；这主要受到测量不确定度和mi传感器物理尺寸的限制。很容易实现秒级的时间分辨率；这在很大程度上受到微传感器响应时间的限制。这些空间和时间测量提供了第一次对吸气式燃料电池阴极的扩散层厚度、时间常数和传递系数进行实验量化。研究结果有助于深入了解控制被动式空气呼吸燃料电池性能的过程，为新的诊断测试程序提供依据，并为未来的空气呼吸燃料电池设计提供方向。
