梯度磁場對質(zhì)子交換膜燃料電池工作性能的影響

吳懋亮, 黃曉薇, 何 濤, 蔡 杰, 潘廣德

(上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

梯度磁場對質(zhì)子交換膜燃料電池工作性能的影響

吳懋亮, 黃曉薇, 何 濤, 蔡 杰, 潘廣德

(上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

質(zhì)子交換膜燃料電池的工作性能與許多因素有關(guān),由于氫氣是抗磁性氣體,氧氣是順磁性氣體,通過外加磁場可以改變?nèi)剂想姵氐墓ぷ餍阅?采用永磁鐵作為梯度磁場產(chǎn)生源,分析了梯度磁場對燃料電池的作用機理,設(shè)計了相應(yīng)的實驗方案,通過實驗討論了外加磁場對燃料電池的運行穩(wěn)定性、極化曲線以及不同流量條件下輸出功率的影響規(guī)律,以驗證梯度磁場對提高燃料電池工作性能的有效性.

質(zhì)子交換膜燃料電池; 梯度磁場; 運行穩(wěn)定性; 極化曲線; 輸出功率

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)保障,是國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈.近年來,隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展,能源的缺乏以及化石燃料大量利用導(dǎo)致的環(huán)境惡化已經(jīng)成為當(dāng)前全球所面臨的重大問題.燃料電池是一種對環(huán)境友好、高效的新型能量轉(zhuǎn)換裝置,燃料(如H2)和氧化劑 (如O2) 在電池內(nèi)部通過電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電流,發(fā)電過程沒有污染物產(chǎn)生,具有低污染、無噪聲的特點[1].

燃料電池有許多種類,其中質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度低,是目前發(fā)展規(guī)模最大的一種燃料電池,主要用于電動汽車和移動電子設(shè)備等.

質(zhì)子交換膜燃料電池的性能與許多因素有關(guān),提高其工作性能是燃料電池研究領(lǐng)域的一項重要課題.1847年法拉第發(fā)現(xiàn)了氣體運動的磁效應(yīng).20世紀(jì)40年代,磁共振光譜實驗證明,氧分子里的兩個未成對電子使分子本身具有磁矩,在外界磁場環(huán)境中,氧分子磁矩沿著外磁場排列,呈順磁性.而氫氣內(nèi)部的電子自旋已配對,因此沒有永久磁矩.但在外磁場作用下會產(chǎn)生拉摩進動,感生出一個與外磁場方向相反的誘導(dǎo)磁矩,所以氫氣表現(xiàn)出抗磁性.抗磁性氣體受到磁極的排斥向磁場強度降低的方向流動,順磁性氣體受到磁極吸引而向磁場強度增加的方向流動.研究表明,磁場梯度可以控制氣體的流動[2].同時由于磁場對質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)反應(yīng)介質(zhì)有磁化作用,進而影響介質(zhì)的傳輸速率[3],因此梯度磁場可以改變?nèi)剂想姵氐墓ぷ餍阅?

1 梯度磁場對燃料電池工作性能影響的理論分析

質(zhì)子交換膜燃料電池單體電池由膜電極(Membrane Electrode Assembly,MEA)、密封墊片(Sheet Gasket)和雙極板(Bipolar Plate)組成,呈三明治結(jié)構(gòu)[4-5].膜電極是由在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)分別涂覆一定載量的鉑基催化劑以及導(dǎo)電多孔透氣擴散層(多采用碳纖維紙或碳纖維布)組成,形成燃料電池的陽極和陰極.當(dāng)電池工作時,膜電極內(nèi)發(fā)生如下反應(yīng)過程.

(1) 反應(yīng)氣體通過雙極板上的流道到達(dá)質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極和陽極.陽極側(cè),氫氣通過多孔擴散層擴散到催化劑表面發(fā)生電催化反應(yīng),產(chǎn)生氫離子和電子,同時氧氣也從陰極擴散層到達(dá)催化層.

(2) 陽極反應(yīng)生成的氫離子以水合質(zhì)子的形式,在質(zhì)子交換膜中借助磺酸基的作用最終到達(dá)電池陰極,完成質(zhì)子的傳遞.質(zhì)子交換膜燃料電池陽極的電子累積從而形成了電池的負(fù)極.電子經(jīng)外電路也到達(dá)陰極,最后在陰極催化劑的作用下,氧氣與氫離子以及電子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流.

電極反應(yīng)如下.

陽極(負(fù)極):H2→2H++2e-;

反應(yīng)產(chǎn)物為水及少量熱,不產(chǎn)生污染物;陰極反應(yīng)生成的水,一部分隨著尾氣排至電池外部,一部分在壓差的作用下經(jīng)過質(zhì)子交換膜向陽極擴散.

由于氧氣和氫氣具有不同的磁性,順磁性的氧氣在梯度磁場中所受磁化力方向為磁場強度增大的方向;抗磁性的氫氣則在梯度磁場中所受磁化力方向為磁場強度降低的方向.根據(jù)電磁理論,在非均勻磁場中的介質(zhì)會受到磁化力的作用,單位體積磁介質(zhì)所受到的磁化力可以表示為[6]:

(1)

(2)

式中:F——X方向介質(zhì)受到的磁化力;χ——磁化率;μ0——真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7H/m;B——磁感應(yīng)強度; dB/dX——磁場梯度;T,T0——氣體溫度和標(biāo)準(zhǔn)溫度;P,P0——氣體壓力和標(biāo)準(zhǔn)壓力.χ0——1atm,273 K條件下,氣體的體積磁化率,如表1所示.

表1 1atm,273 K條件下的體積磁化率

梯度磁場對燃料電池內(nèi)的反應(yīng)氣體施加磁場力,進而產(chǎn)生加速度,促進了反應(yīng)氣體的流動.由式(1)可知,氣體受到的磁場力與磁感應(yīng)強度和場強梯度的乘積成正比;磁化率與溫度的平方成反比,與壓力大小成正比,而氣體受到的磁場力與體積磁化率成正比,所以氣體溫度升高會導(dǎo)致氣體分子受到的力減小.由此可見,降低進入磁場反應(yīng)氣體的溫度,可以增強磁場對氣體分子的磁力作用.

2 質(zhì)子交換膜燃料電池及磁場選擇

為了測試磁場對質(zhì)子交換膜燃料電池工作性能的影響,本文選擇商用燃料電池Horizon mini fuel cell(美國Fuel Cell Store生產(chǎn)) 作為測試對象,如圖1所示.燃料電池以亞克力作為背板,陰極和陽極采用網(wǎng)格流道結(jié)構(gòu),不銹鋼網(wǎng)作為集流板.燃料電池的有效工作面為25 mm×25 mm,流道寬度為1.5 mm,深度為1.5 mm,流道間距為1.5 mm.

圖1 燃料電池結(jié)構(gòu)

本文采用正方形釹鐵硼永磁體作為梯度磁場的產(chǎn)生源,永磁體表面積為20 mm×20 mm,厚度為10 mm,實驗中將永磁體粘貼在燃料電池的陽極表面.永磁體產(chǎn)生的磁場強度與磁體的表面尺寸、厚度、形狀,以及距離磁體表面的位置等參數(shù)有關(guān),永磁體的橫向磁場遠(yuǎn)大于其他方向的磁場強度[7-9],因此本文只考慮橫向磁場對燃料電池工作性能的影響.通過測試,實驗采用的永磁體的橫向磁場分布如圖2所示.

圖2 永磁體磁場分布

由圖2可以看出,橫向磁場的分布以永磁體幾何中心為對稱,隨著離開永磁體表面距離的增加,磁感應(yīng)強度的每一分量分布趨于均勻,但強度卻隨之減小;在永磁體表面的幾何中心位置,磁場強度為324 mT,而隨著離開表面距離的增加,當(dāng)達(dá)到4 mm時,強度為190 mT,當(dāng)達(dá)到8 mm時,強度只有116 mT,磁場強度降低了近50%,磁場在空間呈梯度分布.同時,隨著距離的增大,橫向磁場的分布還將發(fā)生變化:由較小距離時中心區(qū)域處的值低于靠近邊緣區(qū)域處的值逐步變化到中心區(qū)域處的值高于靠近邊緣區(qū)域處的值.在永磁體表面(即Z=0 mm),橫向磁場的分布呈現(xiàn)中心區(qū)域處的值(324 mT)低于靠近邊緣區(qū)域處的值(334 mT),而在邊界上接近于零.當(dāng)離開永磁體表面4 mm(即Z=4 mm)以上時,橫向磁場的分布呈現(xiàn)中心區(qū)域處的值(193 mT)高于靠近邊緣區(qū)域處的值(145 mT).

3 實驗分析

采用ARBIN的燃料電池測試系統(tǒng)對所設(shè)計的電池進行性能測試.實驗分兩次進行:首先在測試系統(tǒng)中實驗和記錄不加磁場情況下燃料電池的工作性能,然后將20 mm×20 mm的永磁鐵粘貼在燃料電池的雙極板陽極側(cè),在同樣的工作參數(shù)和工作環(huán)境下,再次測試燃料電池的工作性能,通過對比前后兩次燃料電池工作性能的變化,分析磁場對燃料電池工作性能的影響規(guī)律.

3.1 磁場對燃料電池工作啟動階段的影響

燃料電池啟動階段的快速性能和平穩(wěn)性能對燃料電池的工作效率和使用壽命具有很大的影響.圖3為燃料電池在不加磁場和加磁場兩種環(huán)境中運行180 s內(nèi)的電池輸出功率的變化曲線.

圖3 燃料電池兩種環(huán)境下運行180 s內(nèi)的輸出功率變化曲線

實驗中的運行溫度為30 ℃,電池電壓為0.3 V.電池剛開始運行時,由于輸入的氫氣和氧氣較少,輸出功率較低,隨著氣體輸入達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電子增多,當(dāng)氣體的輸入和消耗達(dá)到平衡時,電池功率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).由圖3可以看出,加磁場的情況下,電池的輸出性能要明顯好于不加磁場時的性能,電池運行穩(wěn)定時,加磁場時的電池輸出功率達(dá)到0.55 W,而不加磁場時的輸出功率為0.51 W,增加磁場將燃料電池輸出功率提升了7.8%左右;在不加磁場情況下,燃料電池的工作穩(wěn)定時間為140 s,而增加磁場時燃料電池達(dá)到穩(wěn)定階段的時間為100 s,磁場的存在縮短了燃料電池40%的啟動時間,由此表明,磁場對燃料電池工作穩(wěn)定性具有一定的影響.

3.2 磁場對燃料電池極化曲線的影響

極化曲線是表征燃料電池的工作性能的重要指標(biāo).圖4為燃料電池在不加磁場和加磁場兩種環(huán)境中的極化曲線,運行溫度為30 ℃.由圖4可知,在整個運行過程中,磁場對燃料電池極化曲線的影響比較明顯,當(dāng)電壓為0.2 V時,電流密度由335 mA/cm2提升到372 mA/cm2,平均提升了11%;當(dāng)電壓為0.4 V時,電流密度由205 mA/cm2提升到223 mA/cm2,平均提升了8.8%左右;當(dāng)電壓為0.7 V時,電流密度由38 mA/cm2提升到41 mA/cm2,平均提升了7.9%左右.

圖4 燃料電池在兩種情況下的極化曲線

3.3 梯度磁場對燃料電池輸出電流密度的影響

燃料電池中,反應(yīng)氣體的流量是影響電池工作性能的主要因素之一,反應(yīng)氣體的流量不足,將造成電池部分工作,使得電池輸出電流較小;若氣體流量過大,一方面浪費燃料,造成經(jīng)濟損失,另一方面氣體流動過快會帶走大量水分,降低了質(zhì)子交換膜的濕潤程度,影響了電化學(xué)的反應(yīng)過程.圖5為燃料電池在不同氫氣流量情況下輸出電流密度的變化曲線.實驗中,運行溫度為30 ℃,工作電壓為0.3 V,氣體流量從20 mL/min逐漸增加到220 mL/min.

圖5 在不同氫氣流量下磁場對燃料電池輸出電流密度的影響

由圖5可以看出,隨著流量的增加,兩種情況下電池的輸出電流密度越來越大;當(dāng)流量達(dá)到120 mL/min以后,電池的輸出電流不再增加,穩(wěn)定在一個相對固定的輸出值,說明這時氫氣流量已經(jīng)能夠滿足燃料電池滿負(fù)荷運行;在穩(wěn)定工作狀態(tài)下,沒有磁場時電池的輸出電流密度為292 mA/cm2,增加磁場后電流密度提升至317 mA/cm2,表明有磁場的燃料電池性能提升了約8.6%.

4 結(jié) 論

(1) 氧氣是順磁性氣體,氫氣是抗磁性氣體,永磁體產(chǎn)生的磁場梯度可以控制氣體的流動,進而影響燃料電池的輸出性能;

(2) 在燃料電池運行啟動階段,梯度磁場對燃料電池的穩(wěn)定運行有明顯影響,磁場對電池的輸出功率平均提升幅度都在10%左右,磁場的影響貫穿燃料電池運行的全過程;

(3) 燃料電池的極化曲線進一步證明了梯度磁場對工作性能影響的有效性,在不同的工作電壓下,燃料電池電流密度的提升幅度雖然有一定變動,但是整體趨勢一致;

(4) 流量影響燃料電池反應(yīng)氣體的充足程度,一定范圍內(nèi)流量的增加可以提高燃料電池的工作性能,且不管流量如何變化,附加梯度磁場始終能提高燃料電池的電流密度.

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(編輯 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

簡介：吳懋亮(1970-),男,博士,副教授,山東萊蕪人.主要研究方向為燃料電池開發(fā).E-mail: wumaoliang@shiep.edu.cn.

TM911.4

A

1006-4729(2016)06-0511-04