不同溫度下磁場對PEMFC的工作性能影響

吳懋亮，王恩澤，何 濤，潘廣德，陳 軍

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

不同溫度下磁場對PEMFC的工作性能影響

吳懋亮，王恩澤，何 濤，潘廣德，陳 軍

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

在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極側(cè)垂直加載410 mT磁場，考察不同氣體溫度下磁場對PEMFC工作性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PEMFC在加載磁場后的工作性能優(yōu)于不加載磁場的電池性能，當(dāng)工作溫度為45℃時，磁場提升PEMFC功率密度最大，達(dá)到14.4%。當(dāng)PEMFC陽極側(cè)和陰極側(cè)采用不同溫度條件時，加載磁場后PEMFC的工作性能提升幅度有很大不同，不加磁場時，氫氣側(cè)65℃、氧氣側(cè)45℃時的極化曲線斜率比氫氣側(cè)45℃、氧氣側(cè)65℃時的大很多，但加載磁場后，兩者之間的斜率差縮小，表明磁場對電池內(nèi)部氧氣傳質(zhì)影響大于對氫氣的影響。

質(zhì)子交換膜燃料電池;磁場;工作性能;溫度

氫能作為一種清潔能源，具有密度低、熱值高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是未來能源領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的新能源。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可以應(yīng)用于電動汽車、潛艇和可移動電源[1]。操作條件，如電池溫度、氣體流量和反應(yīng)氣體的增濕溫度等，均會影響PEMFC的性能。對于具體的電池結(jié)構(gòu)，需要通過實(shí)驗(yàn)對操作條件進(jìn)行優(yōu)化[2]。PEMFC的工作特性和其所處環(huán)境條件有密切聯(lián)系，在飽和增濕溫度條件下，升高工作溫度會降低膜的內(nèi)阻并提高電池性能，在不飽和增濕溫度條件下，溫度升高會使內(nèi)阻上升，增加歐姆極化[3]。不同反應(yīng)溫度和不同流量等條件都會導(dǎo)致電池的輸出性能變化。

PEMFC電化學(xué)反應(yīng)速率是反映PEMFC工作性能優(yōu)劣的重要因素之一，而磁場對電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕速率、pH值、傳質(zhì)速率等的影響主要?dú)w因于磁場改變了電池內(nèi)部的傳質(zhì)速率和電子偏轉(zhuǎn)[4]。

本文通過加載外部磁場的方式來改變電池的工作環(huán)境，控制電池陰陽極的飽和增濕溫度為60℃，電池陽極側(cè)垂直加載磁場強(qiáng)度為410 mT的永磁體(磁體北極朝著陽極)，測試反應(yīng)氣體溫度為35、45、55、65、75℃時電池的工作性能，以及陰極和陽極采用不同溫度組合時，燃料電池工作性能的變化。通過比較不同條件下燃料電池的輸出功率密度曲線、輸出電流曲線、極化曲線，研究磁場條件下有助于提高電池工作性能的最適合溫度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件

本實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備和儀器包括：燃料電池測試系統(tǒng)(Arbin儀器天津有限公司)；PF-035S高斯計(jì) (力田磁電科技有限公司)；PEMFC單體(Fuel Cell Store，工作面積尺寸為26.5 mm×26.5 mm)；20 mm×20 mm×20 mm釹鐵硼永磁鐵。

實(shí)驗(yàn)將PEMFC接入Arbin測試系統(tǒng)中，將永磁體貼于PEMFC的陽極側(cè)的外壁。PEMFC采用純度為99.999%氫氧供氣；測試系統(tǒng)所供應(yīng)電池的氫氣流量固定為0.08 L/min，氧氣流量為0.10 L/min。供氣的氣體加熱溫度先從35℃開始，逐步提升到75℃。

1.2 磁場影響電化學(xué)反應(yīng)的理論基礎(chǔ)

外加非均勻磁場對PEMFC工作性能的影響主要通過電化學(xué)反應(yīng)中的磁梯度力Fm實(shí)現(xiàn)。在溫度較低環(huán)境下，PEMFC工作性能主要由膜電極活性決定[5]。磁梯度力Fm源于非均勻磁場中電化學(xué)反應(yīng)生成順磁性的分子，它跟磁場強(qiáng)度、磁場梯度以及氧化還原電對活性物質(zhì)的磁性有關(guān)，只存在于非均勻磁場。單位體積磁介質(zhì)所受到的磁化力[6]為：

式(1)～(2)中：Fm為磁感線方向介質(zhì)受到的磁化力；X為磁化率；X0為1.0×105，273 K條件下氣體的體積磁化率，X0O2=1.91×10－6，X0H2=2.18×10－9；dB/dX為磁場梯度。

式(1)表明進(jìn)入電池內(nèi)部的燃料氣體受磁梯度力的作用，進(jìn)而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。式(2)表明磁導(dǎo)率與反應(yīng)溫度的二次方成反比，溫度越低，反應(yīng)越容易受到磁場力的作用，進(jìn)而影響電池的輸出電能特性，當(dāng)反應(yīng)氣體溫度升高時，其磁梯度力的作用減弱。由于氧氣的磁化率比氫氣大3個數(shù)量級左右，因此磁場對氧氣的傳質(zhì)影響較大。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度變化對PEMFC工作性能的影響

實(shí)驗(yàn)分別測試PEMFC在不加載磁場與加載磁場兩種條件下，隨著溫度逐步提升，輸出電流隨時間的變化，溫度分別為 35、45、55、65、75 ℃時的電流變化曲線見圖 1。

圖1 不同溫度下輸出電流值隨時間的變化

從圖1可以看出，在飽和增濕的情況下，隨著反應(yīng)氣體溫度的逐步提升，PEMFC輸出電流值越來越高，加載磁場后電池的性能都得到不同程度的優(yōu)化，隨著溫度升高，電池加載磁場的影響效果呈現(xiàn)先增加后減弱的特征。45℃時，不加磁場輸出電流為1.196 A，加載磁場后電流值為1.361 A，磁場對燃料電流的提升百分比最大，約為13.8%；65℃時PEMFC輸出電流絕對值最大，不加磁場時輸出電流達(dá)到最大值1.469 A，加載磁場后電流值為1.502 A。溫度達(dá)到75℃時，電池溫度大于陰陽極飽和增濕溫度，電池內(nèi)阻增加，輸出電流值下降，不加磁場時電流為1.230 A，加載磁場后為1.261 A。

針對圖1中的磁場對電池性能的提升百分比為最大(45℃)、輸出電流絕對值最大(65℃)以及超過飽和增濕溫度(75℃)三種情況進(jìn)行進(jìn)一步分析，這3個溫度下的PEMFC的極化曲線與功率密度曲線如圖2和圖3所示。

圖2 三種溫度下PEMFC的極化曲線

圖3 三種溫度下PEMFC的功率密度曲線

從圖2和圖3可以看出：在一定飽和濕度溫度內(nèi)，隨著溫度的升高，PEMFC的極化曲線斜率逐漸減小，PEMFC工作性能提高，功率密度提升。加磁場后，PEMFC的極化曲線都變得平緩，工作性能比不加磁場時有所提升；綜合圖1、圖2和圖3可以看出，45℃時電池加磁場后電池的啟動時間縮短，電池能更快時間地達(dá)到穩(wěn)定工作階段，加載磁場前后功率密度從59.1 mW/cm2提升到67.6 mW/cm2，功率密度提升約14.4%。在65℃時PEMFC性能達(dá)到最好，不加磁場達(dá)到最大值為70.9 mW/cm2，加磁場后電池功率密度達(dá)到77.33 mW/cm2，功率提升百分比為9.1%。當(dāng)電池溫度超過飽和增濕溫度到達(dá)75℃時，電池本身極化內(nèi)阻增加，電池性能下降。該溫度下不加載磁場時功率密度減小為60.2 mW/cm2，當(dāng)加載磁場后，PEMFC極化曲線較不加磁場得到優(yōu)化，電池極化內(nèi)阻減小，功率密度增加到63.34 mW/cm2。

2.2 磁場條件下陰陽極溫度不同變化對PEMFC工作性能影響

由式(2)知道，氧氣與氫氣的磁化率值相差三個數(shù)量級，因此隨著溫度提升，磁場對陰極(O2)的影響與對陽極側(cè)(H2)會不同。因此，實(shí)驗(yàn)選擇功率密度提升比最大的45℃和輸出功率密度最大的65℃兩個溫度，測試在氧氣側(cè)和氫氣側(cè)分別定溫為65和45℃兩種條件下磁場對PEMFC工作性能的影響。實(shí)驗(yàn)中垂直于電池陽極側(cè)加載表面磁場強(qiáng)度約為410 mT單磁體，氧氣側(cè)定溫65℃、氫氣側(cè)定溫45℃以及氧氣側(cè)定溫45℃、氫氣側(cè)定溫65℃條件下加載磁場前后的極化曲線如圖4所示。

圖4 加載磁場前后不同定溫條件下PEMFC的極化曲線

從圖4可以看出，當(dāng)設(shè)定電池氫氣側(cè)65℃、氧氣側(cè)45℃時的極化曲線比氫氣側(cè)45℃、氧氣側(cè)65℃時更陡，主要原因是氧氣側(cè)保持較高溫度，有利于水的排除，電池性能較好。但磁場使得兩種條件下的極化曲線都得到了優(yōu)化，加載磁場前后極化曲線的斜率差距縮小，電池性能得到優(yōu)化。對比兩種條件，氧氣側(cè)溫度65℃時，加載磁場的極化曲線斜率更小些，這與氧氣磁化率大于氫氣磁化率三個數(shù)量級有關(guān)，磁場對氧氣的作用更加明顯。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)測試了不同溫度條件下磁場對質(zhì)子交換膜燃料電池工作性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1)在PEMFC陽極側(cè)加載410 mT的磁場，不同溫度下加載磁場前后的PEMFC的工作性能具有明顯差異。隨著溫度升高，電池加載磁場的影響效果呈現(xiàn)先增加后減弱的特征。45℃時磁場對燃料電流的提升百分比最大，65℃時PEMFC輸出電流絕對值最大，溫度達(dá)到75℃時，電池溫度大于陰陽極飽和增濕溫度，電池內(nèi)阻增加，輸出電流值下降。

(2)PEMFC在加載磁場后的工作性能優(yōu)于不加載磁場的PEMFC，電池溫度為45℃時，電池加載磁場提升百分比為最大，達(dá)到14.4%。當(dāng)電池溫度為65℃時，電池輸出功率密度最大，加載磁場后的功率提升百分比為9.1%。

(3)當(dāng)電池進(jìn)氣為不同溫度條件時，加載磁場后PEMFC的輸出功率密度提升幅度不同，電池氫氣側(cè)65℃、氧氣側(cè)45℃時的極化曲線斜率比氫氣側(cè)45℃、氧氣側(cè)65℃時增大，但加載磁場后，兩者之間的斜率差縮小，磁場對氧氣的影響大于對氫氣的影響。

[1]吳金鋒，侯明，衣寶廉，等.質(zhì)子交換膜燃料電池電流分布測定[J].電源技術(shù)，2002，26(2)：80-83.

[2]劉建國，孫公權(quán).燃料電池概述[J].物理，2004,33(2)：79-84.

[3]蔡軍，王立，吳平.利用梯度磁場實(shí)現(xiàn)空氣中氧氣富集的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2006，28(11)：1058-1063.

[4]仲志丹，王冰雪，楊晴霞，等.PEMFC電流分布對外部磁場影響的研究[J].電源技術(shù)與應(yīng)用，2014，40(3)：55-58.

[5]黃健，詹躍東，王華.PEMFC輸出性能的主要影響因素及其評價方法[J].電源技術(shù)，2010，34(4)：355-359.

[6]MATSUSHIMA H,LIDA T,FUKUNAKA Y,et al.PEMFC Performance in a magnetic field[J].Fuel Cells,2008,8(1):33-36.

Effects of magnetic field on PEMFC performance under different temperature conditions

WU Mao-liang,WANG En-ze,HE Tao,PAN Guang-de,CHEN Jun
(College of Energy and Mechanical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

The effects of magnetic field on the performance of PEMFC under difference temperatures were studied by setting 410 mT magnetic field perpendicular to the anode side.The results show that the performance of PEMFC under magnetic field becomes better than that without the magnetic field.When temperature is set at 45℃, the improvement percentage obtains the largest value to 14.3%.When PEMFC respectively sets different temperatures on the anode and cathode side,the performance improvement exhibits different features.The slope of a polarization curve of the hydrogen side at 65℃and the oxygen side at 45℃is much larger than that of the hydrogen side at 45℃and the oxygen side 65℃.But after loaded magnetic field,the slope difference reduces that means that magnetic field affects greater on oxygen transfer in the fuel cell than hydrogen movement.

PEMFC;magnetic field;performance;temperature

TM 911.4

A

1002-087 X(2017)07-0996-02

2016-12-18

吳懋亮（1970—），男，山東省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槿剂想姵亍?/p>