結果與討論

在本節中，我們首先展示在自呼吸燃料電池的極化掃描期間同時獲取的I-V、溫度、PO2、RH和PH2O數據。然后展示在固定電流負載條件下，通過對陰極表面進行垂直z和水平y移動所獲取的溫度、PO2和RH剖面。最后，我們討論由突然電流中斷循環引起的電壓、溫度、PO2和RH的瞬態響應。

電流-電壓極化—圖6展示了自呼吸燃料電池的I-V極化掃描，同時測量了位于燃料電池陰極表面上方的微傳感器單元（y=0 mm,z=1.6~mm）的溫度、PO2、RH和PH2O響應。測量期間的實驗室環境條件為Ttext環境=21^circC,RHtext環境=44%。隨著電流密度的增加，微傳感器記錄到陰極表面附近顯著的熱加熱、氧氣耗盡和水產生。盡管圖6中的大多數趨勢直觀上容易理解，但RH響應值得一些討論。

RH最初隨著電流密度的增加略有上升，然后在最高電流密度處略有下降。當結合溫度讀數并將其轉換為PH2O值時，可以最好地理解RH的這些趨勢。如圖所示，PH2O隨電流線性增加。近表面RH反映了膜的歐姆性能，而PH2O值描述了從陰極輸出的凈傳質速率。在高電流密度下，PH2O增加（表明反應速率增加），但較高的溫度意味著RH降低（飽和水蒸氣壓隨溫度指數增加），參見上文公式3。后者導致膜電阻顯著增加，因此電池電位下降。這在電流密度高于約350 mA/cm2時尤其如此，此時溫度對RH的影響占主導地位，電池電位急劇下降。我們的自呼吸燃料電池模型捕捉到了PH2O和RH隨電流密度的這些趨勢。

PO2隨電流密度增加而線性下降，而PH2O隨電流密度增加而線性增加，這一事實基于電流密度與反應物消耗（或產物生成）之間的線性對應關系是預期的。假設傳感器探針位于擴散層內，簡單的通量平衡得出以下線性關系：

這里j是電流密度，n是反應數，F是法拉第常數，D^texteff是有效擴散系數，Delta c是擴散層上的濃度變化，delta是特征擴散層厚度，k是未被陰極集流體阻擋的活性面積分數。僅基于圖6難以提取關于陰極擴散層的進一步細節。然而，通過分析空間變化和瞬態響應（如下所述），可以獲得關于該過程的進一步細節（包括D^texteff和delta的估計值）。

剖面（Z和Y）掃描—圖7顯示了在z=1.6~mm處，從y=-1.52到1.52~mm以254mu m為增量，在222和444~mA/cm^2的工作電流密度下，通過y移動（水平）測量提取的溫度和PO2剖面。

圖8提供了在z=1.6~mm處，從y=-1.52到1.52~mm以508mu m為增量，在相同工作點下，通過第二組y移動提取的RH和PH2O剖面。PO2剖面顯示出由于流道肋的強烈影響，而RH和PH2O剖面受肋的影響較小。溫度剖面幾乎與肋的位置無關，這很可能是由于肋的高導熱性。從這些測量中，我們可以推斷出氧氣、水蒸氣和溫度擴散層的相對尺寸。我們假設受肋位置強烈影響的標量場表明擴散層較小，其特征長度與肋的特征尺寸相當或更小。

正如預期的那樣，較高電流密度的工作點導致更高的溫度、更大的氧氣耗盡和增加的水輸出（如圖中j=444 mA/cm2時溫度曲線的最大值、PO2曲線的最小值和PH2O曲線的最大值所示）。同時，較高電流密度的工作點導致Po2、PH2O和溫度作為y函數的相對變化減小。這些趨勢與擴散層厚度隨電流密度增加而增加一致。有趣的是，RH隨電流密度變化的變化非常小。較大的電流密度增加了局部產物水蒸氣，但伴隨著較高的溫度，因此RH大致不變。

圖9提供了在相同兩個工作電流密度下，從z移動測量（從燃料電池陰極流道底部開始）提取的溫度和PO2剖面。

圖10提供了在相同工作點下，但從陰極肋頂面平面（z=1.5 mm）開始的第二組z移動提取的RH和PH2O剖面。溫度、Po2、RH和PH2O都顯示出對z位置的強烈依賴性。有趣的是，它們都表現出長程行為，梯度延伸至陰極表面上方數毫米。我們通過距離delta95%（在z方向上）量化了擴散層的范圍，在該距離處，測量的物種或溫度的局部值與環境值之間的差異降至其在z=0處初始值的5%。在222和444~mA/cm^2下，水蒸氣壓、氧分壓和溫度的擴散層厚度估計值分別為4.5和5.4~mm、4.3和6.1~mm以及7.4和9.4~mm。這些剖面表明，自呼吸燃料電池陰極處的傳質擴散層空間范圍可能顯著大于先前的假設。

我們強調，在這些實驗中特別小心地盡可能屏蔽燃料電池免受外部對流空氣流的影響（以便表征自然對流對傳質的貢獻，減少傳感器噪聲，并提高可重復性）。封閉房間中的氣流速度可能高于平面自呼吸燃料電池陰極上方自然對流誘導的氣流速度（9-11 cm/s）。因此，這些實驗條件可能代表受控的、靜止環境下的"最壞情況"。因此，這里呈現的y和z剖面可能對應于擴散層大小和影響的上限。在現實的自呼吸燃料電池環境（例如，在辦公樓中）中，外部對流氣流可能會減小該擴散層的空間范圍。