磁場環(huán)境對PEMFC性能的影響

吳懋亮，何 濤，蔡 杰，潘廣德

(上海電力學院能源與機械工程學院，上海 200090)

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磁場環(huán)境對PEMFC性能的影響

吳懋亮，何 濤，蔡 杰，潘廣德

(上海電力學院能源與機械工程學院，上海 200090)

通過在陽極、陰極側垂直加載不同極性(北極、南極)的磁場，以及在陽極側垂直加載不同強度(0 mT、210 mT、310 mT和390 mT)和不同性質(非均勻、均勻)的磁場，考察不同加載方式和不同性質的磁場環(huán)境對質子交換膜燃料電池(PEMFC)性能的影響。加載磁場可提高燃料電池的輸出電能。當加載陽極側北極磁場時，PEMFC的性能最好，功率密度極大值達到65.66 mW/cm2。在相同磁場強度下，加載非均勻磁場時燃料電池的輸出功率密度均高于加載均勻磁場時。

磁場； 質子交換膜燃料電池(PEMFC)； 加載方式； 極性； 強度

在質子交換膜燃料電池(PEMFC)的陽極，氫氣被離子化，釋放電子并產生質子，質子在膜中以水合質子的形式遷移到陰極；在陰極，氧氣結合電極上的電子和電解質中的質子形成水，從很薄的質子交換膜移動到陽極[1]。這一電化學反應過程受外加磁場的影響，不僅取決于能量因素，也取決于反應系統(tǒng)中熵的因素。在外加磁場條件下，主要有兩種磁力影響電化學反應[2]：①磁流體動力學力，通過帶電的反應物或產物在磁場中運動產生，滿足洛倫茲方程[3]，價電子流動方向與洛倫茲力作用方向成直角，因此粒子在磁場中的運動受磁場影響很大。磁場影響電極附近氣體的流動和生成物(水)的擴散，從而改變反應速度[4]；②磁梯度力，源于非均勻磁場中電化學反應生成順磁性的分子，與磁場強度、磁場梯度及氧化還原電對活性物質的磁性有關，只存在于非均勻磁場[5]，進入燃料電池的氣體受磁場力的作用，進而促進反應的進行[6]。PEMFC中，電化學反應的電流可通過氧化還原電對物質的磁化率和磁場的非均勻性來改變。

本文作者通過改變PEMFC外部加載磁場的方式以提高能量轉化率，采用不同磁場強度、磁場類型及排列方式等形式，對比不同磁場環(huán)境下，燃料電池工作性能的變化規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗方案

實驗采用平板結構的PEMFC，由聚乳酸(PLA)塑料雙極板、Nafion 115質子交換膜組件(Du Pont公司)和網(wǎng)格狀SUS304不銹鋼集流板組成，工作面積26.5 mm×26.5 mm。非均勻磁場和均勻磁場分別由釹鐵硼永磁體(上海產)和磁力機(綿陽產)產生，強度由PF-035S高斯計(綿陽產)測量。

實驗以氫氣(99.999%)、氧氣(99.999%)作為燃料，氫氣流量為100 ml/min，氧氣流量為120 ml/min。氣體加熱溫度均為30 ℃，操作溫度為25 ℃，環(huán)境溫度約為25 ℃。將燃料電池接入FCTS50H燃料電池測試系統(tǒng)(美國產)，設置固定時間間隔，采集并記錄數(shù)據(jù)，從而測得極化曲線、平均功率曲線等數(shù)據(jù)，考察燃料電池的輸出能效。為保持測試設備的穩(wěn)定以及實驗組的初始測試工況一致，每次實驗間隔2 h。

1.2 實驗過程

首先測試兩層PLA塑料雙極板對磁場屏蔽的程度，在兩層雙極板兩側分別加載210 mT、310 mT和390 mT的磁場時，雙極板之間的磁場強度為209 mT、308 mT及388 mT，屏蔽的磁場小于2 mT(約1%)，可忽略不計。

考察磁場加載方式的影響時，加載分別與陽極、陰極側垂直不同極性非均勻磁場，從而測試磁場在不同方向貫穿燃料電池時對工作性能的影響。實驗中分別在燃料電池陽極、陰極側，垂直加載面積為26 mm×26 mm、厚度為10 mm及表面磁場強度為310 mT的釹鐵硼永磁體，磁場依次為陽極側北極、陽極側南極、陰極側北極和陰極側南極等4種方式。

考察不同性質磁場的影響時，分別在電池的陽極側垂直加載不同強度的非均勻和均勻磁場，探討磁場類型和磁場強度變化對燃料電池工作性能的影響。實驗中選擇0 mT(即不加磁場)、210 mT、310 mT和390 mT等4種磁場強度的永磁體，分別加載在燃料電池陽極側。為了對比非均勻磁場和均勻磁場對燃料電池工作性能的影響，采用磁力機產生均勻磁場，磁力機的輸出磁場強度與輸入電流有關，通過改變電流，可獲得不同強度的均勻磁場。實驗所選擇的電流為4.78 A、7.91 A和9.76 A，分別產生與永磁體相同的210 mT、310 mT及390 mT的均勻磁場。

2 結果與討論

2.1 磁場加載方式對燃料電池工作性能的影響

實驗測定的不同磁場加載方式條件下燃料電池的極化曲線和功率密度曲線如圖1所示。

1 不加磁場 2 陰極側南極 3 陰極側北極 4 陽極側南極 5 陽極側北極 a 極化曲線 b 功率密度曲線

從圖1可知，隨著燃料電池的電壓不斷減小，電流密度越來越大。陽極垂直加載北極磁場時，燃料電池歐姆極化區(qū)線性部分的斜率最小，而不加磁場時電池斜率(歐姆極化區(qū)線性部分)最大，在外加磁場條件下的電池極化內阻減小，電池工作性能有很大的提高。功率密度呈先增大、后減小的趨勢，電流密度在160～170 mA/cm2時，燃料電池具有功率密度極大值：陽極加載北極磁場時為65.66 mW/cm2，陽極加載南極磁場時為63.10 mW/cm2，陰極加載北極磁場時為62.05 mW/cm2，陰極加載南極磁場時為61.32 mW/cm2，不加載磁場時則為61.38 mW/cm2。由此可見，加載外部磁場可提高燃料電池的輸出功率，但提高程度與加載方式相關。陽極側加載北極磁場的燃料電池，工作性能最優(yōu)，功率密度也得到最大的提高，相對于不加磁場提高了7.0%。

2.2 加載均勻磁場與非均勻磁場對燃料電池性能的影響

由于外部環(huán)境的影響，燃料電池的工作過程需要一定時間逐漸由波動狀態(tài)達到平穩(wěn)運行。磁場影響了燃料電池的電化學反應速率，非均勻與均勻磁場下不同磁場強度的燃料電池，電流隨時間的變化見圖2。

1 0 mT 2 210 mT 3 310 mT 4 390 mT圖2 加載不同磁場條件下燃料電池的電流變化

從圖2可知，無論陽極側加載非均勻還是均勻磁場，燃料電池的穩(wěn)定時間都有所縮短，在磁場的作用下，燃料電池30 min可達到穩(wěn)定狀態(tài)。加載磁場后的電流均比不加載磁場時的1.224 A大，當磁場強度為210 mT、310 mT和390 mT時，非均勻磁場條件下的輸出電流分別為1.291 A、1.319 A和1.337 A，分別增大了5.9%、7.6%和9.2%；均勻磁場條件下的電流分別為1.263 A、1.280 A和1.297 A，分別增大了3.2%、4.6%和6.0%。盡管不同的磁場都能提高輸出電流，但加載非均勻磁場的燃料電池輸出電流比加載均勻磁場的更大，在磁場強度為210 mT、310 mT和390 mT時，兩者分別相差2.7%、3.0%和3.2%。

燃料電池陽極垂直方向加載不同磁場強度非均勻與均勻磁場時的功率密度曲線見圖3，對應的極化曲線見圖4。

1 0 mT 2 210 mT 3 310 mT 4 390 mT圖3 加載不同磁場條件下燃料電池的功率密度曲線

1 0 mT 2 210 mT 3 310 mT 4 390 mT圖4 加載不同磁場條件下燃料電池的極化曲線

從圖3可知，當測試系統(tǒng)啟動后，無論加載非均勻磁場還是均勻磁場，加載后燃料電池的功率密度均高于未加載磁場時。在相同磁場強度下，非均勻磁場下歐姆極化區(qū)線性部分的斜率比均勻磁場的平緩，非均勻磁場的燃料電池，輸出性能高于均勻磁場下的燃料電池，當磁場強度為390 mT時，功率密度極大值分別為67.62 mW/cm2和70.30 mW/cm2。

從圖4可知，不加磁場時燃料電池歐姆極化區(qū)線性部分的斜率最大，在一定范圍里，隨著加載磁場強度的增加，歐姆極化區(qū)線性部分斜率越來越小，表明磁場的存在相當于降低了燃料電池的內阻，從而提升了燃料電池的工作性能。

3 結論

本文作者通過實驗測試了不同磁場加載方式以及不同性質磁場對PEMFC工作性能的影響，得到如下結論：

不同磁場加載方式與不同性質磁場對燃料電池的工作性能影響有著明顯差異。實驗測試不同磁場加載方式對電池的工作性能影響發(fā)現(xiàn)：在燃料電池垂直加載陽極側北極、陽極側南極、陰極側北極、陰極側南極的磁場時，陽極側南極的電池的功率密度極大值為63.10 mW/cm2，陰極側北極電池功率密度極大值為62.05 mW/cm2，陰極側南極的電池功率密度極大值為61.32mW/cm2，陽極側北極磁場的電池性能最優(yōu)，電池輸出功率密度能提高到65.66 mW/cm2，比不加磁場的電池提升了7.0%。

當電池陽極側垂直加載不同性質(非均勻與均勻)、不同強度(0、210、310和390 mT)的磁場時，燃料電池的輸出功率密度提升幅度不同。在同樣強度磁場下，非均勻磁場下的燃料電池比均勻磁場下的電池工作性能更好，在加載到390 mT時的非均勻與均勻磁場時，功率密度極大值分別可以達到70.30 mW/cm2和67.62 mW/cm2，功率密度比不加磁場的電池提升了14.5%與10.2%。

[1] CHEN Dong-hao(陳冬浩)，BU Qing-yuan(卜慶元)，CHEN Wei-rong(陳維榮)，etal. 空冷型PEMFC陽極排氣周期實驗研究[J]. Battery Bimonthly(電池)，2015，45(1)：3-5.

[2] JIANG Bin-zhi(蔣秉植)，YANG Jian-mei(楊健美). 磁場對某些化學反應的影響[J]. Chemistry(化學通報)，1991，(10)：11-15.

[3] LI Feng-chao(栗鳳超)，WANG Li(王立)，WU Ping(吳平)，etal. 氧氣在梯度磁場中流動及擴散行為研究[J]. Journal of Engineering Thermophysics(工程熱物理學報)，2011，32(11)：1 907-1 909.

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[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

吳懋亮(1970-)，男，山東人，上海電力學院能源與機械工程學院副教授，研究方向：燃料電池技術，本文聯(lián)系人；

TM911.42

A

1001-1579(2015)06-0309-03

2015-06-23

何 濤(1989-)，男，四川人，上海電力學院能源與機械工程學院碩士生，研究方向：磁場對燃料電池性能的影響；

蔡 杰(1990-)，男，湖北人，上海電力學院能源與機械工程學院碩士生，研究方向：陶瓷3D打印技術；

潘廣德(1990-)，男，遼寧人，上海電力學院能源與機械工程學院碩士生，研究方向：燃料電池開發(fā)和實驗。