基于DRT技术的PEM水电解槽中两相流条件的阻抗分析

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：DRT-based impedance analysis of two-phase flow conditions in PEM water electrolyzer cells

　　德博拉·布林克|尼古拉斯·亨斯勒|克里斯蒂安·布辛|大卫·布劳宁格|汤姆·斯莫林卡|安德烈·韦伯
应用材料研究所（IAM-ET），卡尔斯鲁厄理工学院（KIT），阿德瑙林 ring 20b，卡尔斯鲁厄，76131，德国

摘要
在质子交换膜水电解电池的流动通道中，氢气和氧气的积聚会导致气体比例增加以及在较高电流密度下出现明显的两相流效应。沿着通道的空间分辨分割方法可以研究这些梯度，但需要复杂的硬件设备。本研究介绍了一种简化方法，通过向各自的入口流中控制注入固定量的氢气和氧气来模拟增量电池中的局部气体生成。利用电化学阻抗谱结合随后的松弛时间分布分析，研究了气体与水比例对欧姆电阻和极化现象的影响。这揭示了膜脱水效应以及对阴极侧活化相关损失的影响。将增量（零梯度）电池与沿通道电池进行详细比较，显示出良好的整体性能相关性。在中等电流密度区域（2-3 A cm?2），沿通道电池的极化损失显著增加，这可能归因于来自扩散层（CCM）的离子释放和/或质量传输问题。

1. 引言
绿色氢气被广泛认为是工业过程和运输部门脱碳的关键能源载体 [1]、[2]、[3]。在现有技术中，质子交换膜（PEM）水电解能够生产高纯度氢气，同时具备高效率、紧凑的系统设计，并且能够与波动的可再生能源源动态结合使用 [4]、[5]、[6]、[7]。然而，大规模部署 PEM 水电解需要显著扩大电池和堆栈的尺寸，并在逐渐增高的电流密度下运行 [8]、[9]、[10]。最近在膜电极组件（MEA）设计方面的发展，特别是使用更薄的膜和优化的催化剂层，使得在远超当前传统工业条件的电流密度下稳定运行成为可能 [9]、[10]、[11]。虽然这些进步对于降低系统成本和提高氢气产率至关重要，但同时也加剧了电池内的质量传输挑战。随着活性面积和电流密度的增加，氢气和氧气的局部生成速率急剧上升，导致多孔传输层和流动通道中的气体比例升高。这些两相流条件会影响电池性能。对此现象的研究主要采用光学方法，并关注气泡形成 [12]。Majasan 等人 [13] 探讨了不同参数对电池性能的影响，表明流场设计会影响两相流行为。Ito 等人 [14] 发现，在阴极处的塞流和环流状态下，水的质量传输受到阻碍，导致在高电流密度下质量传输损失增加。

在这种背景下，有针对性地调整入口流中的气体比例是一种适当的方法，可以可控地复制沿通道电池下游区域特有的两相条件。这样可以单独研究气体比例增加对阻抗行为和极化损失的影响，而不会同时叠加沿通道方向的几何诱导梯度。为了解决大型 PEM 水电解电池和堆栈中的空间梯度问题，一些研究小组开发了沿通道分割（AtC）测试电池，这些电池能够沿流动方向进行空间分辨的电化学分析 [15]、[16]、[18]。这些电池通常具有长通道和狭窄的活性宽度，允许研究沿通道长度的电流密度、温度和阻抗梯度。使用这种实验装置，在高电流密度和低水流量条件下，可以观察到显著的变化，这表明存在水饥饿现象 [19]。

尽管 AtC 电池为空间分辨行为提供了宝贵的见解，但它们也带来了相当大的实验复杂性。分割设计需要复杂的电气绝缘、各部分的均匀接触以及复杂的数据采集系统。此外，这种装置仅限于专业实验室环境，不宜用于系统参数研究或常规诊断测量。因此，仍然迫切需要简化的实验方法，能够在大型电池中重现局部操作条件，包括与两相流相关的效应，同时保持小型单电池的实验工作量。

活性电极面积约为 1 cm2 的增量单电池可以在零梯度条件下运行，从而为使用电化学阻抗谱（EIS）等基本研究提供明确的电化学环境。近年来，EIS 和随后的松弛时间分布（DRT）分析已成为 PEM 水电解的强大诊断工具。这种方法能够解卷积并量化与欧姆、电荷传输和质量传输现象相关的不同损失 [20]、[21]、[22]、[23]。然而，由于这些电池的活性面积有限，其产生的气体总量相对较低，限制了它们再现技术与相关电池尺寸中不可避免的气体传输和两相流相关现象的能力。

为了弥补这一差距，有意向增量 PEM 水电解电池的相应入口流中注入固定量的氢气和/或氧气是一种有前景的方法，可以模拟大型电池上游区域的气体生成，从而在大型堆栈中重现局部操作条件。据我们所知，目前尚未有类似策略用于 PEM 水电解的研究。本研究采用电化学阻抗谱结合松弛时间分布（DRT）分析来研究增量 PEM 水电解电池中明确定义的两相流条件 [24]。通过系统地改变注入的气体量，模拟了代表大型电池沿通道不同位置的两相流条件，并研究了气体与水比例对欧姆电阻和极化现象的影响。这种方法将气体混合到供给增量电池的水中，使得可以在明确定义的气体与水比例下进行研究。因此，可以模拟大型电池/堆栈的局部条件，并确定局部电池性能，为建模堆栈级别的两相流效应提供关键参数。

将增量电池的结果与沿通道分割的 PEM 水电解电池的结果进行比较。这种比较旨在评估控制气体注入在多大程度上可以重现局部分辨的电化学行为，从而提供了一种简化的实验方法来研究 PEM 水电解中的两相流相关效应。

2. 实验
2.1. 测试电池
本研究分别使用了两种不同的测试电池，即 KIT 的增量（Inc）测试电池和 Fraunhofer ISE 的 AtC 测试电池，如图 1 a) 和 b) 所示。这两种都是内部开发的测试电池，并已在其他地方详细描述 [15]、[24]。本研究强调 AtC 电池包含一个沿流动方向排列的十个独立部分的分割电池。每个部分的宽度为 2 cm，长度为 2.8 cm。可以独立获取每个部分的温度和电流测量数据。增量电池的活性面积为 2.1 cm2，尺寸为 1.4 cm 宽和 1.5 cm 长。其紧凑的尺寸有助于在整个电池表面实现均匀的操作条件。两种测试电池都具有相同的通道和肋结构，平行通道的深度为 2 mm，宽度为 1 mm。通道区域宽 0.9 mm。在这项研究中，扩散层（CCM）由 Fraunhofer ISE 使用商业可用材料制成。使用的膜是 Nafion N115。阳极催化剂的载量为大约 0.5 mgIr/cm2，催化剂（Premion，99.99%，84.5% 铱（IV）氧化物）由 ThermoFisher Scientific（德国）提供，离子聚合物（Nafion D2020）由 Ion Power GmbH（德国）提供，离子聚合物与固体的比例为 16.68%。阴极催化剂的载量为大约 0.25 mgPt/cm2，催化剂（Elyst Pt50 0550，50% 铂）由 Umicore AG & Co. KG（德国）提供，离子聚合物（Aquivion D79）由 Sigma-Aldrich（美国）提供，离子聚合物与固体的比例为 29.75%。阳极催化剂层通过丝网印刷技术涂覆在 ETFE 薄膜上，而阴极催化剂层通过槽式涂布技术涂覆在 PTFE 薄膜上。然后将两种催化剂层在 160°C 下以 10 kN 的压力热压在膜上 10 分钟。两侧的多孔传输层（PTLs）使用 NV Bekaert SA 的钛基材料（类型 2GDL06-0.25）。

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图 1. 顶部视图：a) KIT 的开放式增量测试电池，活性区域用红色标记；b) Fraunhofer ISE 的沿通道测试电池，其中由增量测试电池反射的部分用红色标记。（关于图中颜色参考的解释，请参阅本文的网络版本。）

2.2. 测试台
关于本文中介绍的测量，两个不同的测试台分别位于 KIT 和 Fraunhofer ISE。在 Fraunhofer ISE，评估了沿通道电池；在 KIT，则检查了增量电池。两个地点都使用了内部开发的测试台，这些测试台已在之前的出版物中记录 [24]、[25]、[26]。这两个测试台为本研究中的电化学测量提供了必要的操作条件。每个测试台都配备了来自 Zahner Elektrik GmbH & Co. KG（德国）的电化学工作站，能够提供高达 40 A 的电流。在两个测试台上，可以独立调节流向阳极和阴极的水流。本研究中的测量使用了不循环水的阴极。水质通过离子交换器维持，水可以加热并且温度可以精确控制。此外，KIT 的测试台还具备向入口流中引入气体的功能，这对于本研究中的测量至关重要。后续部分将提供该设置的详细描述。

2.3. 模拟增量测试电池中沿通道气体生成的方法
在分割的 AtC PEM 水电解电池中，氢气和氧气在每个部分局部生成并沿流动方向连续积累。因此，从电池入口到出口，反应物流中的气体比例逐渐增加。为了在更简单且实验上更易实现的设置中重现这些局部变化的气体生成条件，采用了第 2.1 节中介绍的增量测试电池。而不是通过电化学方法生成大量产物气体，而是将固定量的氢气和氧气外部注入入口流中，从而可以模拟 AtC 电池中特定位置的气体比例。这样，可以独立研究气体积累对电化学性能的影响，而不受电流密度或温度的空间梯度的影响。

在 KIT 测试台的实验设置中，水和气体从电池的一侧供给。在阳极侧，液态水与氧气混合；在阴极侧，仅供给干燥的氢气。两相混合物从另一侧离开电池并导向气水分离器，其中气相被分离出来，液态水被循环利用。用于比较的 AtC 电池由沿流动通道的十个大小相等的部分组成，如图 1 b) 所示。为了代表通道中的不同位置，选择了四个部分进行详细比较：部分 1、部分 4、部分 7 和部分 10，它们在图 1 b) 中用红色标记。对于每个选定的部分，使用该部分开始时的气体组成作为参考条件，因为可以计算上游产生的气体总量。

根据法拉第定律和理想气体定律确定了 AtC 电池中的气体生成量。部分 i 开始时的体积氢气流速 V˙H2,i 可以根据公式 (1) 计算：
(1)V˙H2,i = V˙H2,i?1 + Ii·R·Tiz·F·p
其中 V˙H2,i?1 是进入前一部分的氢气体积流量。对于部分 1，该值设为零。Ii表示第i段的电流，Ti表示相应的段温度，z=2表示每个氢分子转移的电子数，F表示法拉第常数，R表示通用气体常数，p表示操作压力，本研究中的所有测量均采用环境压力。根据计算出的氢气流量，通过反应化学计量关系得到相应的氧气流量。由于产生的氧气是氢气的一半，因此氧气体积流量由公式（2）给出。(2)V˙O2=1/2·V˙H2,i沿通道的剩余水流通过考虑电化学消耗的水分以及通过电渗透阻力传输的水分来计算。第i段开始时的水体积流量由公式（3）表示[27]。(3)V˙H2O,i=V˙H2O,i?1?Ii·MH2O·(1+nDrag)z·F·ρH2O其中MH2O是水的摩尔质量，ρH2O是其密度，nDrag是电渗透阻力系数，在本研究中假设该系数是恒定的，与膜的湿润程度、温度和压力无关。文献中记载了电渗透阻力系数的范围很广，取值在0.950 kHz）的无效数据被排除在进一步分析之外。

松弛时间分布分析有助于更详细地研究正在进行的极化过程。这些过程通过其特征时间常数被更清晰地分开。为此，使用了公式（4）[31]。(4)Z(ω)=R0+∫0∞g(τ)1+jωτdτ其中Z(ω)是阻抗，g(τ)是松弛时间τ的分布函数，R0是阻抗的欧姆电阻。在本研究中，使用数值方法计算DRT（弛豫时间分布），该方法基于对阻抗谱实部的拟合。为了包括低频下的负感应过程，采用了Schiefer等人[32]对DRT计算的改进。通常，DRT计算仅使用正的电阻和电容值。在这种改进中，允许在频谱的某些部分使用负值，以表示具有物理化学意义的电阻衰减。因此，假设感应过程会导致电池性能的延迟改善。作为DRT计算的稳定方法，使用了Tikhonov正则化[33]。在本研究中展示的所有DRT中，正则化参数λ为0.005。

3. 结果
3.1. 气体注入变化
最初，气体混合过程涉及将气体引入增量测试电池的进料流中，通常通过改变供应量和供应方式来实现，可以在两侧或单侧进行。气体始终被供应到产生它们的那一侧；因此，氢气被供应到阴极，氧气被供应到阳极。图中分别展示了两种不同电流密度（0.1 A cm-2和2 A cm-2）的结果，见图2和图3。在两个图中，a)和b)显示了氧气和氢气的混合，c)和d)仅显示了氧气的混合，e)和f)仅显示了氢气的混合。总共供应了八种不同数量的气体，详细信息见补充信息中的表SI2，范围从0 mL min-1到700 mLO2 min-1或1400 mLH2 min-1。供应的氢气量是氧气的两倍，这与反应中的预期行为一致。电池开始时的水体积百分比从100％下降到3％，这也记录在表SI2中。

图2. 增量测试电池中气体混合的Nyquist谱和DRT谱，a)和b)同时供应氢气和氧气，c)和d)仅向阳极供应氧气，e)和f)仅向阴极供应氢气，电流密度为100 mA cm-2。
图3. 增量测试电池中气体混合的Nyquist谱和DRT谱，a)和b)同时供应氢气和氧气，c)和d)仅向阳极供应氧气，e)和f)仅向阴极供应氢气，电流密度为2 A cm-2，温度为60°C，压力为0 bar，阳极侧的水流速为10 mL min-1 cm-2。

在我们之前的研究[24]中，我们研究了DRT中不同峰的行为及其对操作参数变化的依赖性。可以区分出五个电容峰和一个感应峰。低频感应峰Pind（<1 Hz）取决于电流密度、温度和压力。它仅在电流密度较高（>2 A cm-2）时才可见。峰P1和P2（0.1–200 Hz）仅在较高电流密度时才出现，并随电流密度的增加而增加。因此，它们可能与质量传输有关，尽管其具体关联尚不清楚。P3在低电流密度时占主导地位，并在较高电流密度时减小，这表明它可能与OER（氧化还原）的电荷传输动力学有关，可能会与HER（氢辅助还原）相关过程重叠。高频峰P4和P5（>100 Hz）被认为是P3的副峰，来源于离子聚合物中的电荷传输和质子传输过程的耦合，导致这种传输线模型行为。此外，P4可能受到更快HER动力学的影响。

图2表明，在低电流密度（特别是在0.1 A cm-2）下，对于几乎没有或只有少量气体流动的测量（分别达到42 mLO2 min-1和84 mLH2 min-1），极化电阻保持稳定，然后在增加到105 mLO2 min-1和210 mLH2 min-1时突然减小。随后，极化电阻再次稳定。图2 b)中的DRT检查显示在60 Hz附近有一个减少峰P4。在5 Hz处的主导峰P3未受此行为影响。这种现象可能表明了一种激活效应，即足够的产品气体存在导致极化电阻降低。为了研究这种行为是否与氧气或氢气有关，分别单独供应了气体，如图2 c)和2 d)中的氧气以及图2 e)和2 f)中的氢气所示。结果表明，氧气的供应不影响极化过程。相反，氢气的供应显示出与之前描述的效果相同。因此，这种现象似乎与氢气的供应有关；然而，不应将其解释为直接加速了固有的HER速率常数。相反，氢气的存在可能改变了阴极催化剂层内的局部界面条件，包括气体-液体分布和离子聚合物的润湿。此外，在低电流密度下——此时阴极接近平衡状态，HER和HOR（氢辅助还原）可能同时发生——这样的变化可能会影响正向和反向反应途径之间的有效平衡[34]。这反过来可能导致P4的减少，反映了耦合的质子传输和电荷传输阻力。低频DRT区域没有相应变化的事实表明，这种效应是界面和/或动力学耦合的，而不是与宏观质量传输限制相关。

此外，图2 a)表明欧姆电阻不是恒定的，而是随着气体流量的增加而增加。这种增加可能表明膜正在干燥，导致膜导电性降低。分析各个气体供应情景证实，氧气的供应没有影响；然而，氢气的供应也显示出类似的增加，表明问题出在阴极侧。这是合理的，因为尽管向阳极侧提供了足够的水，但由于膜或离子聚合物的阴极侧干燥，通过膜传输的水不足，无法替代被干燥气体带走的水量。

图3展示了在电流密度为2 A cm-2时的这种气体供应变化结果。配置与图3 a)和b)一致，展示了两侧都供应气体，c)和d)仅供应氧气，以及e)和f)仅供应氢气。与低电流密度区域相反，在2 A cm-2下没有观察到对极化过程的明显影响，表明在较高电流密度下，电化学响应主要由内在气体生成和局部建立的两相流动条件主导，从而减少了外部供应气体对界面传输的相对影响。相反，欧姆电阻显示的趋势与低电流密度时的趋势相似。在双气体供应的情况下，随着气体量的增加，欧姆电阻增加了大约5 mΩ cm-2。对于仅供应氧气的情况，趋势似乎相反，减少了大约1 mΩ cm-2。这表明仍有足够的水存在，防止了任何干燥效应。这种改善的可能解释是阳极侧的两相流动变化可能间接影响了膜的水合、界面水分布和/或局部温度。然而，应该注意的是，这种趋势相当小，不应过度解读。关于仅供应氢气的情况，趋势恢复到双气体供应时的趋势，欧姆电阻的增加更加明显。这表明向阴极供应氢气会对欧姆电阻产生负面影响，可能是由于阴极侧的局部干燥条件。

3.2. 增量电池和AtC电池的整体比较
为了提供更详细的分析，我们将我们的增量测试电池与沿通道的测试电池进行了比较。在评估各个部分和气体混合过程之前，首先对两个测试电池进行了总体比较。图4显示了两个电池的极化曲线。虚线代表去除了HFR（电热反应）影响的曲线，HFR值是从相同电流密度的EIS测量中获得的。可以观察到增量电池的电压较低。在去除了HFR的变体中，差异不那么明显，证明了AtC电池的欧姆电阻较高，这可以归因于分割的额外组件（详见Hensle等人[15]）。**极化曲线分析**
在60°C、0 bar的条件下，以及水流速分别为10 mL min?1 cm?2（InC电池）和5 mL min?1 cm?2（AtC电池）的情况下，对InC和AtC电池进行了极化曲线研究。图5和图6展示了在电流密度范围0.25 A cm?2至7 A cm?2内，增量电池、整个AtC电池及其第1段的Nyquist图和DRT图。增量电池的欧姆电阻明显降低，约为125 mΩ cm?2，而AtC电池的欧姆电阻约为150 mΩ cm?2（如图5a所示）。不同电池之间的极化电阻变化趋势相似：AtC电池的极化电阻在电流密度高达1 A cm?2时开始下降，增量电池则在电流密度高达2 A cm?2时开始下降（见图5e和图6a）。之后，极化电阻再次上升，在低频区域出现新的峰值P1和P2。当电流密度达到5 A cm?2时，开始形成电感环。整个电池和AtC电池第1段的数据非常相似；然而，第1段的高频数据精度较低，这给欧姆电阻的确定带来了复杂性。

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**图5.** 在60°C、0 bar和10 mL min?1 cm?2（InC电池）及5 mL min?1 cm?2（AtC电池）的水流速率下，不同电流密度（0.25 A cm?2、0.5 A cm?2、1 A cm?2）下的测试电池对比。

**图6.** 在60°C、0 bar和10 mL min?1 cm?2的水流速率下，不同电流密度（2 A cm?2、3 A cm?2、5 A cm?2、7 A cm?2）下的测试电池对比。

图5中所示的低电流密度下的DRT图表现出相似的行为。随着电流密度的增加，一个显著的峰值P3（在低电流密度时约从10 Hz开始）逐渐减弱。在高电流密度下，来自低频区域的峰值P1和P2开始形成并增强，并在低频端出现一个电感峰值Pind。这种现象在两个测试电池中都观察到。这些峰值被认为是由物理化学过程引起的，如我们之前的出版物[24]、[35]中所详细说明的。简而言之，中频范围内随电流密度增加而减弱的峰值P3与电荷转移动力学有关，而在低频和高电流密度下出现的峰值P1和P2与质量传输过程相关。从这些观察结果来看，电池随电流密度的变化表现出一致的趋势，并且整体性能相似。整个AtC电池与第1段的数据之间的差异很小，这是预期之中的。两个测试电池之间的最大差异出现在2 A cm?2和3 A cm?2时，AtC电池的整体极化电阻显著增加，随后在电感环开始形成时又再次下降。这种行为及其可能的成因将在后续的详细比较中进一步讨论。

**3.3 AtC电池的测量数据比较**
由于对两种不同测试电池的全面评估表明它们具有高度的可比性，下一步是进行详细比较。为此，首先对AtC电池进行了测量。利用这些数据，可以利用方程（1）–（3）计算气体产生量和水消耗量。由于总电流被提供给分段电池的端面，所有分段都处于相同的电压下工作。因此，局部电流密度相对于平均设定值的偏差是不可避免的。局部电流密度的波动在各个电流密度范围内都相当，变化范围在+6%到?9%之间，其中第5段和第6段的偏差最为显著。因此，选择了第1段、第4段、第7段和第10段进行进一步分析，因为它们间距相等。温度曲线显示，较高的平均电流密度会导致电池温度升高（1 A cm?2时为54°C，5 A cm?2时可达71°C）。在较低的电流密度下，通道内的温度相对稳定；而在最高电流密度5 A cm?2时，从第一段到最后一段的温度呈上升趋势，增幅为6 K。AtC电池的电流和温度测量数据以及增量电池的计算值汇总在表SI1中。

**3.4 单一段落的比较**
下一步是在增量电池中在相同条件下进行测量。结果如图7所示。比较了三种不同的电流密度（1 A cm?2、3 A cm?2和5 A cm?2）。选择较高的电流密度是有意为之，因为较低的电流密度由于气体产生量少，不太可能在气体通道中产生显著变化。图7a）和b）分别展示了1 A cm?2下的Nyquist图和DRT图。AtC电池的原始数据用实线表示，而增量电池的对比数据用虚线表示。为了更好地进行比较，Nyquist图去除了HFR组分，因为如前所述，两种电池之间的欧姆电阻存在差异。1 A cm?2下的结果表明，两个测试电池之间具有显著的一致性。增量电池测得的极化电阻略低于AtC电池。DRT分析显示，在两个测量结果中，相同频率下都有一个一致的主峰值P3，根据参考文献[20]、[22]、[24]，这归因于电荷转移动力学。AtC电池的数据在不同段落之间没有明确的趋势，这使得直接比较各个段落变得困难。

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**图7.** 在60°C、0 bar和210 mL min?1（InC电池）及300 mL min?1（AtC电池）的水流速率下，不同电流密度（1 A cm?2、3 A cm?2、5 A cm?2）下的单一段落比较。

在图6的3 A cm?2（c）和6 d）中，AtC电池和增量电池的结果存在显著差异。AtC电池的极化电阻明显高于增量电池。DRT分析表明，这种差异源自低频区域的P1和P2过程，这些过程与质量传输现象有关。AtC电池不同段落之间的变化源于这些段落内的有效电流不同。相比之下，增量电池没有表现出这种趋势；相反，它显示出随着气体流速增加而预期的低频质量传输过程增强。

**图6的5 A cm?2（e）和6 f）中，两种电池的过程模式更加接近。尽管AtC电池的极化电阻仍然高于增量电池，但DRT显示在不同电池中相同的频率范围内出现了峰值。在这个电流密度范围内，电感环（在DRT中表现为Pind）开始形成，并与质量传输相关的损失重叠。**

**AtC电池与增量电池相比极化电阻明显较高的可能原因**
特别是在2–3 A cm?2的中间电流密度范围内，本文讨论了可能的原因。需要强调的是，基于现有数据无法确定这种行为的最终原因，可能有多种相互重叠的因素在起作用。
**第一个可能的解释是来自CCM或辅助电池组件的阳离子污染。**这种污染会导致极化曲线出现特征性的S形扭曲，如图4中2 A cm?2到3 A cm?2的AtC电池所示。Padgett等人[36]证明，阳离子污染会诱导类似于质量传输限制的损失，导致中等电流密度范围内的极化曲线向上弯曲，而在更高电流密度下由于HER机制的变化而趋于平坦。虽然这是一个合理的解释，但还不能确定污染是这里观察到的行为的主要原因。然而，由于AtC电池的水电路更大、材料复杂性更高，这种效应可能更为明显，从而增加了对非预期离子杂质的敏感性。
**第二个可能的原因是催化剂层-PTL界面处的传输限制。**正如Hensle等人[16]所示，CCM属性与PTL结构之间的相互作用会强烈影响质量传输行为。在那项研究中，较低的催化剂负载与所使用的PTL结合，导致在较高电流密度下传输阻力增加。由于本研究中的AtC电池和增量电池使用了类似的CCM和PTL，因此可能出现类似的界面传输效应。在AtC电池中，由于各个段落之间的压缩不均匀，这些效应可能会加剧，从而局部改变接触条件和有效传输路径。
**此外，在平面内的传输效应也可能起作用。**由于段落的长度较长以及PTL的分段，反应物的侧向重新分布和产气物的去除可能会受到阻碍。在某个段落的上游区域积聚的气体可能会部分阻塞同一段落内的下游活性区域，从而有效增加质量传输阻力。在增量电池中，由于活性长度较短且使用了单一的PTL元件，避免了这种效应。
综上所述，AtC电池与增量电池之间的直接定量比较仍然具有挑战性。除了定量偏差外，结果还显示出定性差异，这体现在增量电池和AtC电池沿通道的趋势不同。因此，即使是定性的比较也需要谨慎解读。在AtC配置中，特定段落的非均匀性（如压缩变化、界面传输阻力或可能的污染效应）可能会叠加在本研究中研究的沿通道现象上。因此，我们得出结论，在本研究的范围内，增量电池的结果提供了比AtC电池更可靠的基础。这里的实验是在接近系统相关条件下进行的，水流速相对较高，导致沿通道的梯度较小。未来的工作可以采用其他实验策略（例如在非常低的水流速率下操作，如参考文献[19]所讨论的），以进一步区分沿通道的效应和设置特定的非均匀性。

**4. 结论**
本研究探讨了一个相对未被充分探索的领域，即使用更易于获得的实验室规模设置来模拟大型电池中的气体产生以及空间不同水气比的影响。最初，将不同量的产物气体引入阴极和阳极两侧或仅引入一侧。这种方法表明，气体混合对欧姆电阻和极化电阻的影响与氢气引入阴极侧有关。相反，在评估的两种电流密度（0.1 A cm?2和2 A cm?2）下，将氧气掺入阳极流中似乎没有显著影响。气体混合实验表明，气体量增加会导致欧姆电阻增加，这很可能与通过阴极侧的膜脱水有关。此外，在低电流密度下，当供应气体时，极化电阻会降低，表明活化行为有所改善。这种效应可以归因于在阴极侧提供的氢气。在本研究的进一步分析中，对整体电池和沿通道分段电池进行了比较。对整个电池结果的初步比较显示出良好的一致性和电流密度变化的一致趋势。通过精确复制AtC测量的条件，对各个分段与整体电池的行为进行了比较。然而，这一方面需要进一步改进。由于电流限制，无法准确复制各个分段，因为差异太大，并且在活性区域附近的AtC测量中没有观察到明显的区别。因此，在其他条件下（例如，降低水流速率）进行额外研究将有助于确定是否可以改进复制效果。

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作者贡献声明：
Debora Brinker：概念化、数据管理、研究、方法论、软件、验证、可视化、初稿撰写。
Niklas Hensle：概念化、数据管理、研究、方法论、资源整理、审核与编辑。
Christin Büsching：研究、方法论、软件。
David Breuninger：研究、方法论、软件。
Tom Smolinka：资金筹集、资源协调、监督。
André Weber：概念化、资金筹集、监督、审核与编辑。