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作者及研究机构
本研究的主要作者包括Ch. Lee、J. K. Lee、B. Zhao、K. F. Fahy和A. Bazylak。他们分别来自加拿大多伦多大学机械与工业工程系的热流体与先进材料实验室（Thermofluids for Energy and Advanced Materials Laboratory）以及麦克马斯特大学土木工程系。研究发表于2020年的《Journal of the Electrochemical Society》期刊，具体卷号为167，文章编号为024508。

学术背景
本研究的科学领域为电化学工程，具体聚焦于聚合物电解质膜（Polymer Electrolyte Membrane, PEM）电解槽的多孔传输层（Porous Transport Layer, PTL）中的气体传输行为。研究背景源于全球能源转型的需求，尤其是可再生能源（如风能、太阳能）的间歇性特点对电网稳定性的挑战。电解技术通过将过剩电能转化为氢气，成为缓冲可再生能源间歇性的重要解决方案。PEM电解槽因其成本较低和操作灵活性，预计到203年将成为与可再生能源耦合的主要电解槽系统。然而，PEM电解槽在间歇性操作下的效率仍有待提高，特别是多孔传输层中的气体传输行为对性能的影响尚未得到充分研究。本研究旨在通过原位同步辐射X射线成像技术，揭示阳极多孔传输层在间歇性操作下的动态气体传输行为，为优化PEM电解槽的设计和操作策略提供理论支持。

研究流程
研究分为两个主要实验：设定点斜坡实验（Setpoint Ramping Experiment）和间歇电流实验（Intermittent-Current Experiment）。
1. 设定点斜坡实验：
- 实验设计：研究采用定制设计的单电池电解槽，其活性区域为5 mm × 16 mm。阳极和阴极多孔传输层使用商用碳纸（TGP-H-060），以提高X射线成像的透明度。电解槽在两种操作模式下运行：电流密度斜坡上升和斜坡下降，斜坡斜率分别为-0.8 mA/cm²/s和-1.6 mA/cm²/s。
- 数据采集：通过同步辐射X射线成像技术，实时测量阳极多孔传输层中的气体饱和度变化。图像处理包括暗场校正、光束强度校正、Beer-Lambert定律应用以及气体厚度的计算。
- 分析方法：通过线性拟合和对数拟合，量化气体响应行为的时间常数和斜率。
2. 间歇电流实验：
- 实验设计：基于风力涡轮机的功率输出曲线，模拟间歇性操作下的电流密度变化。最大电流密度不超过200 mA/cm²，以避免腐蚀条件。
- 数据采集：在相同电流密度下，比较不同时间点的气体饱和度和电池电位。
- 分析方法：通过极化曲线验证电池性能的变化，确保观察到的电位变化并非由多孔传输层降解引起。

主要结果
1. 设定点斜坡实验：
- 气体饱和度在陡峭的电流密度斜坡上升和缓和的斜坡下降下更快达到稳态。
- 气体积累的响应时间比气体移除更快，这是由于残余气体从催化剂层-多孔传输层界面迁移到流道的速度较慢。
- 通过斜坡实验，发现斜坡斜率对气体饱和度的最终值有显著影响，陡峭的斜坡上升导致更高的气体饱和度。
2. 间歇电流实验：
- 间歇性操作导致残余气体积累增加，从而对电解槽性能产生负面影响。
- 在相同电流密度下，气体饱和度随时间逐渐增加，表现出滞后效应（Hysteresis Effect）。
- 气体积累导致电池过电位增加，最高可达6%，这归因于反应位点被残余气体物理屏蔽，导致电化学表面积减少。

结论
本研究首次通过原位同步辐射X射线成像技术，揭示了PEM电解槽阳极多孔传输层在间歇性操作下的动态气体传输行为。研究发现，陡峭的电流密度斜坡上升和缓和的斜坡下降有助于更快的气体响应。此外，间歇性操作导致的气体积累滞后效应显著降低了电解槽性能。这些结果为优化PEM电解槽的设计和操作策略提供了重要理论依据，特别是在与间歇性可再生能源耦合的应用场景中。

研究亮点
1. 重要发现：首次揭示了PEM电解槽多孔传输层中的气体积累滞后效应，并量化了其对性能的影响。
2. 方法创新：采用原位同步辐射X射线成像技术，实现了对多孔传输层中气体传输行为的高时空分辨率观测。
3. 应用价值：研究结果为提高PEM电解槽在间歇性操作下的效率提供了重要指导，有助于推动可再生能源的规模化应用。

其他有价值内容
研究还指出，碳基多孔传输层的气体积累行为可能与传统的钛基多孔传输层有所不同，这为未来材料选择提供了新的研究方向。此外，研究提出的斜坡操作策略为实际应用中优化电解槽性能提供了可行的技术路径。

以上是基于文档内容生成的学术报告，全面介绍了研究的背景、方法、结果及其科学和应用价值。