氧氣傳輸阻力，表征氧氣在燃料電池內(nèi)部從極板流場(chǎng)到催化劑層傳輸?shù)碾y易程度，影響燃料電池在高電流密度下的性能，可用于評(píng)估燃料電池催化層和氣體擴(kuò)散層傳質(zhì)特性。

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測(cè)試原理

一般采用不同氧氣濃度和氧氣分壓下的極限電流密度計(jì)算獲得氧氣傳輸阻力。通過(guò)極限電流密度計(jì)算氧氣傳輸阻力的理論依據(jù)主要是菲克定律和法拉第定律。一方面氧氣擴(kuò)散通量No2與極板流場(chǎng)中的氧氣濃度到催化劑表面的氧氣濃度之間的濃度差成正比，與氧氣傳輸阻力成反比；另一方面氧氣擴(kuò)散通量No2與電流密度成正比，與反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電荷量成反比。計(jì)算公式如下：

式中：

F——法拉第常數(shù)，96485C/mol。

在極限電流密度下，催化劑表面的氧氣濃度接近于0，可得氧氣傳輸阻力的計(jì)算公式如下：

式中：

F——法拉第常數(shù)，96485C/mol；

——極板流場(chǎng)內(nèi)氧氣分壓，單位kPa；

R——摩爾氣體常量，8.31J/(mol·K)；

T——陰極進(jìn)氣的熱力學(xué)溫度，單位K。

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測(cè)試方法

2.1 測(cè)試參數(shù)選取

極限電流密度測(cè)試涉及氧氣濃度、壓力、氣體流量、溫度、濕度、電壓等參數(shù)的選擇，適合的測(cè)試參數(shù)選擇可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本著助力氫能、共同發(fā)展的理念，特嗨氫能檢測(cè)開(kāi)展了大量試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，推薦氧氣傳輸阻力的測(cè)試參數(shù)如下表。

2.2 極限電流測(cè)試

待工況條件穩(wěn)定后，從電池開(kāi)路電壓測(cè)起，每次按相同梯度降低電壓（0.2V/步），當(dāng)電流隨電壓變化趨勢(shì)減小時(shí)，逐漸減小電壓下降梯度（0.1V/步、0.05V/步），直至出現(xiàn)極限電流值。需測(cè)試四種陰極進(jìn)氣壓力和五種氧氣濃度下的極限電流密度，共20個(gè)工況下的極限電流密度。

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數(shù)據(jù)處理

3.1 氧氣分壓與極限電流密度

繪制四種陰極進(jìn)氣壓力下不同氧氣分壓與極限電流密度的關(guān)系曲線(xiàn)圖，結(jié)果如下圖所示。可以看出，極限電流密度與氧氣分壓成正比；陰極進(jìn)氣壓力不變的情況下，總氣體傳輸阻力不變。由圖中可得出四種陰極進(jìn)氣壓力下的斜率，根據(jù)公式可以計(jì)算得到四種壓力下對(duì)應(yīng)的氧氣傳輸阻力和。

3.2 氧氣傳輸阻力與陰極進(jìn)氣壓力

繪制上述四種壓力與其對(duì)應(yīng)的氧氣傳輸阻力的關(guān)系曲線(xiàn)圖，結(jié)果如下圖所示。

氧氣傳輸阻力可以分成與進(jìn)氣壓力無(wú)關(guān)和有關(guān)的兩部分，即氧氣傳輸阻力可以表述成下式：

其中與壓力有關(guān)的氧傳輸阻力為氧氣在極板流場(chǎng)、氣體擴(kuò)散層基質(zhì)層的傳輸阻力，可由圖中擬合曲線(xiàn)斜率與進(jìn)氣壓力P的乘積得到；與壓力無(wú)關(guān)的氧傳輸阻力為氧氣在氣體擴(kuò)散層微孔層、催化劑層的傳輸阻力，可由圖中擬合曲線(xiàn)與縱坐標(biāo)的截距得到。

通過(guò)上述的測(cè)試解析，我們可以對(duì)氧氣傳輸阻力進(jìn)行量化分析，更好地評(píng)估氧氣傳輸性能，為優(yōu)化質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)和操作條件提供指導(dǎo)。

來(lái)源：特嗨氫能