磁场环境对PEMFC性能的影响

吴懋亮，何 涛，蔡 杰，潘广德

(上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090)



磁场环境对PEMFC性能的影响

吴懋亮，何 涛，蔡 杰，潘广德

(上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090)

通过在阳极、阴极侧垂直加载不同极性(北极、南极)的磁场，以及在阳极侧垂直加载不同强度(0 mT、210 mT、310 mT和390 mT)和不同性质(非均匀、均匀)的磁场，考察不同加载方式和不同性质的磁场环境对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响。加载磁场可提高燃料电池的输出电能。当加载阳极侧北极磁场时，PEMFC的性能最好，功率密度极大值达到65.66 mW/cm2。在相同磁场强度下，加载非均匀磁场时燃料电池的输出功率密度均高于加载均匀磁场时。

磁场； 质子交换膜燃料电池(PEMFC)； 加载方式； 极性； 强度

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)的阳极，氢气被离子化，释放电子并产生质子，质子在膜中以水合质子的形式迁移到阴极；在阴极，氧气结合电极上的电子和电解质中的质子形成水，从很薄的质子交换膜移动到阳极[1]。这一电化学反应过程受外加磁场的影响，不仅取决于能量因素，也取决于反应系统中熵的因素。在外加磁场条件下，主要有两种磁力影响电化学反应[2]：①磁流体动力学力，通过带电的反应物或产物在磁场中运动产生，满足洛伦兹方程[3]，价电子流动方向与洛伦兹力作用方向成直角，因此粒子在磁场中的运动受磁场影响很大。磁场影响电极附近气体的流动和生成物(水)的扩散，从而改变反应速度[4]；②磁梯度力，源于非均匀磁场中电化学反应生成顺磁性的分子，与磁场强度、磁场梯度及氧化还原电对活性物质的磁性有关，只存在于非均匀磁场[5]，进入燃料电池的气体受磁场力的作用，进而促进反应的进行[6]。PEMFC中，电化学反应的电流可通过氧化还原电对物质的磁化率和磁场的非均匀性来改变。

本文作者通过改变PEMFC外部加载磁场的方式以提高能量转化率，采用不同磁场强度、磁场类型及排列方式等形式，对比不同磁场环境下，燃料电池工作性能的变化规律。

1 实验

1.1 实验方案

实验采用平板结构的PEMFC，由聚乳酸(PLA)塑料双极板、Nafion 115质子交换膜组件(Du Pont公司)和网格状SUS304不锈钢集流板组成，工作面积26.5 mm×26.5 mm。非均匀磁场和均匀磁场分别由钕铁硼永磁体(上海产)和磁力机(绵阳产)产生，强度由PF-035S高斯计(绵阳产)测量。

实验以氢气(99.999%)、氧气(99.999%)作为燃料，氢气流量为100 ml/min，氧气流量为120 ml/min。气体加热温度均为30 ℃，操作温度为25 ℃，环境温度约为25 ℃。将燃料电池接入FCTS50H燃料电池测试系统(美国产)，设置固定时间间隔，采集并记录数据，从而测得极化曲线、平均功率曲线等数据，考察燃料电池的输出能效。为保持测试设备的稳定以及实验组的初始测试工况一致，每次实验间隔2 h。

1.2 实验过程

首先测试两层PLA塑料双极板对磁场屏蔽的程度，在两层双极板两侧分别加载210 mT、310 mT和390 mT的磁场时，双极板之间的磁场强度为209 mT、308 mT及388 mT，屏蔽的磁场小于2 mT(约1%)，可忽略不计。

考察磁场加载方式的影响时，加载分别与阳极、阴极侧垂直不同极性非均匀磁场，从而测试磁场在不同方向贯穿燃料电池时对工作性能的影响。实验中分别在燃料电池阳极、阴极侧，垂直加载面积为26 mm×26 mm、厚度为10 mm及表面磁场强度为310 mT的钕铁硼永磁体，磁场依次为阳极侧北极、阳极侧南极、阴极侧北极和阴极侧南极等4种方式。

考察不同性质磁场的影响时，分别在电池的阳极侧垂直加载不同强度的非均匀和均匀磁场，探讨磁场类型和磁场强度变化对燃料电池工作性能的影响。实验中选择0 mT(即不加磁场)、210 mT、310 mT和390 mT等4种磁场强度的永磁体，分别加载在燃料电池阳极侧。为了对比非均匀磁场和均匀磁场对燃料电池工作性能的影响，采用磁力机产生均匀磁场，磁力机的输出磁场强度与输入电流有关，通过改变电流，可获得不同强度的均匀磁场。实验所选择的电流为4.78 A、7.91 A和9.76 A，分别产生与永磁体相同的210 mT、310 mT及390 mT的均匀磁场。

2 结果与讨论

2.1 磁场加载方式对燃料电池工作性能的影响

实验测定的不同磁场加载方式条件下燃料电池的极化曲线和功率密度曲线如图1所示。

1 不加磁场 2 阴极侧南极 3 阴极侧北极 4 阳极侧南极 5 阳极侧北极 a 极化曲线 b 功率密度曲线

从图1可知，随着燃料电池的电压不断减小，电流密度越来越大。阳极垂直加载北极磁场时，燃料电池欧姆极化区线性部分的斜率最小，而不加磁场时电池斜率(欧姆极化区线性部分)最大，在外加磁场条件下的电池极化内阻减小，电池工作性能有很大的提高。功率密度呈先增大、后减小的趋势，电流密度在160～170 mA/cm2时，燃料电池具有功率密度极大值：阳极加载北极磁场时为65.66 mW/cm2，阳极加载南极磁场时为63.10 mW/cm2，阴极加载北极磁场时为62.05 mW/cm2，阴极加载南极磁场时为61.32 mW/cm2，不加载磁场时则为61.38 mW/cm2。由此可见，加载外部磁场可提高燃料电池的输出功率，但提高程度与加载方式相关。阳极侧加载北极磁场的燃料电池，工作性能最优，功率密度也得到最大的提高，相对于不加磁场提高了7.0%。

2.2 加载均匀磁场与非均匀磁场对燃料电池性能的影响

由于外部环境的影响，燃料电池的工作过程需要一定时间逐渐由波动状态达到平稳运行。磁场影响了燃料电池的电化学反应速率，非均匀与均匀磁场下不同磁场强度的燃料电池，电流随时间的变化见图2。

1 0 mT 2 210 mT 3 310 mT 4 390 mT图2 加载不同磁场条件下燃料电池的电流变化

从图2可知，无论阳极侧加载非均匀还是均匀磁场，燃料电池的稳定时间都有所缩短，在磁场的作用下，燃料电池30 min可达到稳定状态。加载磁场后的电流均比不加载磁场时的1.224 A大，当磁场强度为210 mT、310 mT和390 mT时，非均匀磁场条件下的输出电流分别为1.291 A、1.319 A和1.337 A，分别增大了5.9%、7.6%和9.2%；均匀磁场条件下的电流分别为1.263 A、1.280 A和1.297 A，分别增大了3.2%、4.6%和6.0%。尽管不同的磁场都能提高输出电流，但加载非均匀磁场的燃料电池输出电流比加载均匀磁场的更大，在磁场强度为210 mT、310 mT和390 mT时，两者分别相差2.7%、3.0%和3.2%。

燃料电池阳极垂直方向加载不同磁场强度非均匀与均匀磁场时的功率密度曲线见图3，对应的极化曲线见图4。

1 0 mT 2 210 mT 3 310 mT 4 390 mT图3 加载不同磁场条件下燃料电池的功率密度曲线

1 0 mT 2 210 mT 3 310 mT 4 390 mT图4 加载不同磁场条件下燃料电池的极化曲线

从图3可知，当测试系统启动后，无论加载非均匀磁场还是均匀磁场，加载后燃料电池的功率密度均高于未加载磁场时。在相同磁场强度下，非均匀磁场下欧姆极化区线性部分的斜率比均匀磁场的平缓，非均匀磁场的燃料电池，输出性能高于均匀磁场下的燃料电池，当磁场强度为390 mT时，功率密度极大值分别为67.62 mW/cm2和70.30 mW/cm2。

从图4可知，不加磁场时燃料电池欧姆极化区线性部分的斜率最大，在一定范围里，随着加载磁场强度的增加，欧姆极化区线性部分斜率越来越小，表明磁场的存在相当于降低了燃料电池的内阻，从而提升了燃料电池的工作性能。

3 结论

本文作者通过实验测试了不同磁场加载方式以及不同性质磁场对PEMFC工作性能的影响，得到如下结论：

不同磁场加载方式与不同性质磁场对燃料电池的工作性能影响有着明显差异。实验测试不同磁场加载方式对电池的工作性能影响发现：在燃料电池垂直加载阳极侧北极、阳极侧南极、阴极侧北极、阴极侧南极的磁场时，阳极侧南极的电池的功率密度极大值为63.10 mW/cm2，阴极侧北极电池功率密度极大值为62.05 mW/cm2，阴极侧南极的电池功率密度极大值为61.32mW/cm2，阳极侧北极磁场的电池性能最优，电池输出功率密度能提高到65.66 mW/cm2，比不加磁场的电池提升了7.0%。

当电池阳极侧垂直加载不同性质(非均匀与均匀)、不同强度(0、210、310和390 mT)的磁场时，燃料电池的输出功率密度提升幅度不同。在同样强度磁场下，非均匀磁场下的燃料电池比均匀磁场下的电池工作性能更好，在加载到390 mT时的非均匀与均匀磁场时，功率密度极大值分别可以达到70.30 mW/cm2和67.62 mW/cm2，功率密度比不加磁场的电池提升了14.5%与10.2%。

[1] CHEN Dong-hao(陈冬浩)，BU Qing-yuan(卜庆元)，CHEN Wei-rong(陈维荣)，etal. 空冷型PEMFC阳极排气周期实验研究[J]. Battery Bimonthly(电池)，2015，45(1)：3-5.

[2] JIANG Bin-zhi(蒋秉植)，YANG Jian-mei(杨健美). 磁场对某些化学反应的影响[J]. Chemistry(化学通报)，1991，(10)：11-15.

[3] LI Feng-chao(栗凤超)，WANG Li(王立)，WU Ping(吴平)，etal. 氧气在梯度磁场中流动及扩散行为研究[J]. Journal of Engineering Thermophysics(工程热物理学报)，2011，32(11)：1 907-1 909.

[4] ZHONG Zhi-dan(仲志丹)，WANG Bing-xue(王冰雪)，YANG Qing-xia(杨晴霞)，etal. 基于电磁场的PEMFC电流分布实时非接触测量研究[J]. Journal of System Simulation(系统仿真学报)，2014，26(12)：3 003-3 006.

[5] Matsushima H，Lida T，Fukunaka Y，etal. PEMFC performance in a magnetic field[J]. Fuel Cells，2008，8(1)：33-36.

[6] Okada T，Wakayama N，Wang L，etal. The effect of magnetic field on the oxygen reduction reaction and its application in polymer electrolyte fuel cells[J]. Electrochim Acta，2003，48(5)：531-539.

Effects of magnetic field conditions on the performance of PEMFC

WU Mao-liang，HE Tao，CAI Jie，PAN Guang-de

(CollegeofEnergyandMechanicalEngineering，ShanghaiUniversityofElectricPower，Shanghai200090，China)

Effects of magnetic fields with different loading types and different magnetic features on the performance of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)were studied by vertical loading different polarity magnetic field(north or south)on anode or cathode，loading magnetic field with different intensity(0 mT，210 mT，310 mT and 390 mT)or different type(uniform and non-uniform). Magnetic fields loading type could increase the output power of PEMFC. The performance of PEMFC was the best when loading north polarity magnetic field on anode，the maximum power density could reach to 65.66 mW/cm2. When loading uniform and non-uniform magnetic field with different intensity to the PEMFC，the output power density under non-uniform magnetic field was higher than the one under uniform magnetic field at the same magnetic field intensity.

magnetic field； proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)； loading type； polarity； intensity

吴懋亮(1970-)，男，山东人，上海电力学院能源与机械工程学院副教授，研究方向：燃料电池技术，本文联系人；

TM911.42

A

1001-1579(2015)06-0309-03

2015-06-23

何 涛(1989-)，男，四川人，上海电力学院能源与机械工程学院硕士生，研究方向：磁场对燃料电池性能的影响；

蔡 杰(1990-)，男，湖北人，上海电力学院能源与机械工程学院硕士生，研究方向：陶瓷3D打印技术；

潘广德(1990-)，男，辽宁人，上海电力学院能源与机械工程学院硕士生，研究方向：燃料电池开发和实验。