梯度磁场对质子交换膜燃料电池工作性能的影响

吴懋亮, 黄晓薇, 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)

梯度磁场对质子交换膜燃料电池工作性能的影响

吴懋亮, 黄晓薇, 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)

质子交换膜燃料电池的工作性能与许多因素有关,由于氢气是抗磁性气体,氧气是顺磁性气体,通过外加磁场可以改变燃料电池的工作性能.采用永磁铁作为梯度磁场产生源,分析了梯度磁场对燃料电池的作用机理,设计了相应的实验方案,通过实验讨论了外加磁场对燃料电池的运行稳定性、极化曲线以及不同流量条件下输出功率的影响规律,以验证梯度磁场对提高燃料电池工作性能的有效性.

质子交换膜燃料电池; 梯度磁场; 运行稳定性; 极化曲线; 输出功率

能源是人类赖以生存和发展的重要物质保障,是国家经济发展的命脉.近年来,随着世界经济的快速发展,能源的缺乏以及化石燃料大量利用导致的环境恶化已经成为当前全球所面临的重大问题.燃料电池是一种对环境友好、高效的新型能量转换装置,燃料(如H2)和氧化剂 (如O2) 在电池内部通过电化学反应直接产生电流,发电过程没有污染物产生,具有低污染、无噪声的特点[1].

燃料电池有许多种类,其中质子交换膜燃料电池的工作温度低,是目前发展规模最大的一种燃料电池,主要用于电动汽车和移动电子设备等.

质子交换膜燃料电池的性能与许多因素有关,提高其工作性能是燃料电池研究领域的一项重要课题.1847年法拉第发现了气体运动的磁效应.20世纪40年代,磁共振光谱实验证明,氧分子里的两个未成对电子使分子本身具有磁矩,在外界磁场环境中,氧分子磁矩沿着外磁场排列,呈顺磁性.而氢气内部的电子自旋已配对,因此没有永久磁矩.但在外磁场作用下会产生拉摩进动,感生出一个与外磁场方向相反的诱导磁矩,所以氢气表现出抗磁性.抗磁性气体受到磁极的排斥向磁场强度降低的方向流动,顺磁性气体受到磁极吸引而向磁场强度增加的方向流动.研究表明,磁场梯度可以控制气体的流动[2].同时由于磁场对质子交换膜燃料电池内反应介质有磁化作用,进而影响介质的传输速率[3],因此梯度磁场可以改变燃料电池的工作性能.

1 梯度磁场对燃料电池工作性能影响的理论分析

质子交换膜燃料电池单体电池由膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)、密封垫片(Sheet Gasket)和双极板(Bipolar Plate)组成,呈三明治结构[4-5].膜电极是由在质子交换膜的两侧分别涂覆一定载量的铂基催化剂以及导电多孔透气扩散层(多采用碳纤维纸或碳纤维布)组成,形成燃料电池的阳极和阴极.当电池工作时,膜电极内发生如下反应过程.

(1) 反应气体通过双极板上的流道到达质子交换膜燃料电池的阴极和阳极.阳极侧,氢气通过多孔扩散层扩散到催化剂表面发生电催化反应,产生氢离子和电子,同时氧气也从阴极扩散层到达催化层.

(2) 阳极反应生成的氢离子以水合质子的形式,在质子交换膜中借助磺酸基的作用最终到达电池阴极,完成质子的传递.质子交换膜燃料电池阳极的电子累积从而形成了电池的负极.电子经外电路也到达阴极,最后在阴极催化剂的作用下,氧气与氢离子以及电子发生电化学反应产生电流.

电极反应如下.

阳极(负极):H2→2H++2e-;

反应产物为水及少量热,不产生污染物;阴极反应生成的水,一部分随着尾气排至电池外部,一部分在压差的作用下经过质子交换膜向阳极扩散.

由于氧气和氢气具有不同的磁性,顺磁性的氧气在梯度磁场中所受磁化力方向为磁场强度增大的方向;抗磁性的氢气则在梯度磁场中所受磁化力方向为磁场强度降低的方向.根据电磁理论,在非均匀磁场中的介质会受到磁化力的作用,单位体积磁介质所受到的磁化力可以表示为[6]:

(1)

(2)

式中:F——X方向介质受到的磁化力;χ——磁化率;μ0——真空磁导率,μ0=4π×10-7H/m;B——磁感应强度; dB/dX——磁场梯度;T,T0——气体温度和标准温度;P,P0——气体压力和标准压力.χ0——1atm,273 K条件下,气体的体积磁化率,如表1所示.

表1 1atm,273 K条件下的体积磁化率

梯度磁场对燃料电池内的反应气体施加磁场力,进而产生加速度,促进了反应气体的流动.由式(1)可知,气体受到的磁场力与磁感应强度和场强梯度的乘积成正比;磁化率与温度的平方成反比,与压力大小成正比,而气体受到的磁场力与体积磁化率成正比,所以气体温度升高会导致气体分子受到的力减小.由此可见,降低进入磁场反应气体的温度,可以增强磁场对气体分子的磁力作用.

2 质子交换膜燃料电池及磁场选择

为了测试磁场对质子交换膜燃料电池工作性能的影响,本文选择商用燃料电池Horizon mini fuel cell(美国Fuel Cell Store生产) 作为测试对象,如图1所示.燃料电池以亚克力作为背板,阴极和阳极采用网格流道结构,不锈钢网作为集流板.燃料电池的有效工作面为25 mm×25 mm,流道宽度为1.5 mm,深度为1.5 mm,流道间距为1.5 mm.

图1 燃料电池结构

本文采用正方形钕铁硼永磁体作为梯度磁场的产生源,永磁体表面积为20 mm×20 mm,厚度为10 mm,实验中将永磁体粘贴在燃料电池的阳极表面.永磁体产生的磁场强度与磁体的表面尺寸、厚度、形状,以及距离磁体表面的位置等参数有关,永磁体的横向磁场远大于其他方向的磁场强度[7-9],因此本文只考虑横向磁场对燃料电池工作性能的影响.通过测试,实验采用的永磁体的横向磁场分布如图2所示.

图2 永磁体磁场分布

由图2可以看出,横向磁场的分布以永磁体几何中心为对称,随着离开永磁体表面距离的增加,磁感应强度的每一分量分布趋于均匀,但强度却随之减小;在永磁体表面的几何中心位置,磁场强度为324 mT,而随着离开表面距离的增加,当达到4 mm时,强度为190 mT,当达到8 mm时,强度只有116 mT,磁场强度降低了近50%,磁场在空间呈梯度分布.同时,随着距离的增大,横向磁场的分布还将发生变化:由较小距离时中心区域处的值低于靠近边缘区域处的值逐步变化到中心区域处的值高于靠近边缘区域处的值.在永磁体表面(即Z=0 mm),横向磁场的分布呈现中心区域处的值(324 mT)低于靠近边缘区域处的值(334 mT),而在边界上接近于零.当离开永磁体表面4 mm(即Z=4 mm)以上时,横向磁场的分布呈现中心区域处的值(193 mT)高于靠近边缘区域处的值(145 mT).

3 实验分析

采用ARBIN的燃料电池测试系统对所设计的电池进行性能测试.实验分两次进行:首先在测试系统中实验和记录不加磁场情况下燃料电池的工作性能,然后将20 mm×20 mm的永磁铁粘贴在燃料电池的双极板阳极侧,在同样的工作参数和工作环境下,再次测试燃料电池的工作性能,通过对比前后两次燃料电池工作性能的变化,分析磁场对燃料电池工作性能的影响规律.

3.1 磁场对燃料电池工作启动阶段的影响

燃料电池启动阶段的快速性能和平稳性能对燃料电池的工作效率和使用寿命具有很大的影响.图3为燃料电池在不加磁场和加磁场两种环境中运行180 s内的电池输出功率的变化曲线.

图3 燃料电池两种环境下运行180 s内的输出功率变化曲线

实验中的运行温度为30 ℃,电池电压为0.3 V.电池刚开始运行时,由于输入的氢气和氧气较少,输出功率较低,随着气体输入达到稳定状态,电化学反应产生的电子增多,当气体的输入和消耗达到平衡时,电池功率达到稳定状态.由图3可以看出,加磁场的情况下,电池的输出性能要明显好于不加磁场时的性能,电池运行稳定时,加磁场时的电池输出功率达到0.55 W,而不加磁场时的输出功率为0.51 W,增加磁场将燃料电池输出功率提升了7.8%左右;在不加磁场情况下,燃料电池的工作稳定时间为140 s,而增加磁场时燃料电池达到稳定阶段的时间为100 s,磁场的存在缩短了燃料电池40%的启动时间,由此表明,磁场对燃料电池工作稳定性具有一定的影响.

3.2 磁场对燃料电池极化曲线的影响

极化曲线是表征燃料电池的工作性能的重要指标.图4为燃料电池在不加磁场和加磁场两种环境中的极化曲线,运行温度为30 ℃.由图4可知,在整个运行过程中,磁场对燃料电池极化曲线的影响比较明显,当电压为0.2 V时,电流密度由335 mA/cm2提升到372 mA/cm2,平均提升了11%;当电压为0.4 V时,电流密度由205 mA/cm2提升到223 mA/cm2,平均提升了8.8%左右;当电压为0.7 V时,电流密度由38 mA/cm2提升到41 mA/cm2,平均提升了7.9%左右.

图4 燃料电池在两种情况下的极化曲线

3.3 梯度磁场对燃料电池输出电流密度的影响

燃料电池中,反应气体的流量是影响电池工作性能的主要因素之一,反应气体的流量不足,将造成电池部分工作,使得电池输出电流较小;若气体流量过大,一方面浪费燃料,造成经济损失,另一方面气体流动过快会带走大量水分,降低了质子交换膜的湿润程度,影响了电化学的反应过程.图5为燃料电池在不同氢气流量情况下输出电流密度的变化曲线.实验中,运行温度为30 ℃,工作电压为0.3 V,气体流量从20 mL/min逐渐增加到220 mL/min.

图5 在不同氢气流量下磁场对燃料电池输出电流密度的影响

由图5可以看出,随着流量的增加,两种情况下电池的输出电流密度越来越大;当流量达到120 mL/min以后,电池的输出电流不再增加,稳定在一个相对固定的输出值,说明这时氢气流量已经能够满足燃料电池满负荷运行;在稳定工作状态下,没有磁场时电池的输出电流密度为292 mA/cm2,增加磁场后电流密度提升至317 mA/cm2,表明有磁场的燃料电池性能提升了约8.6%.

4 结 论

(1) 氧气是顺磁性气体,氢气是抗磁性气体,永磁体产生的磁场梯度可以控制气体的流动,进而影响燃料电池的输出性能;

(2) 在燃料电池运行启动阶段,梯度磁场对燃料电池的稳定运行有明显影响,磁场对电池的输出功率平均提升幅度都在10%左右,磁场的影响贯穿燃料电池运行的全过程;

(3) 燃料电池的极化曲线进一步证明了梯度磁场对工作性能影响的有效性,在不同的工作电压下,燃料电池电流密度的提升幅度虽然有一定变动,但是整体趋势一致;

(4) 流量影响燃料电池反应气体的充足程度,一定范围内流量的增加可以提高燃料电池的工作性能,且不管流量如何变化,附加梯度磁场始终能提高燃料电池的电流密度.

[1] 詹姆斯·拉米尼,安德鲁·迪克斯.燃料电池系统[M]．北京:科学出版社,2006:1-13

[2] 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].Electrochimica Acta,2003,48(5):531-539.

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[4] 聂明,张连营,李庆,等.质子交换膜燃料电池研究现状[J]．表面技术,2012,41(3):109-111.

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(编辑 胡小萍)

Gradient Magnetic Effects on Proton Exchange Membrane Fuel Cell Performance

WU Maoliang, HUANG Xiaowei, HE Tao, CAI Jie, PAN Guangde

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) performance is related to many factors,and magnetic field can improve fuel cell performance because oxygen is paramagnetic gas and hydrogen is diamagnetic gas.Permanent magnet is used as gradient magnetic generator,the influence of magnetic field on the fuel cell is analyzed,and an experimental scheme is designed.The magnetic field effects exerted on fuel cell operation stability,polarization curves and output power under different species flowing rate are discussed to verify gradient magnetic effectiveness on the fuel cell performance enhancement.

proton exchange membrane fuel cell; gradient magnetic field; operation stability; polarization curve; output power

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.001

2015-05-24

简介：吴懋亮(1970-),男,博士,副教授,山东莱芜人.主要研究方向为燃料电池开发.E-mail: wumaoliang@shiep.edu.cn.

TM911.4

A

1006-4729(2016)06-0511-04