不同温度下磁场对PEMFC的工作性能影响

吴懋亮，王恩泽，何 涛，潘广德，陈 军

(上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090)

不同温度下磁场对PEMFC的工作性能影响

吴懋亮，王恩泽，何 涛，潘广德，陈 军

(上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090)

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极侧垂直加载410 mT磁场，考察不同气体温度下磁场对PEMFC工作性能的影响。结果发现：PEMFC在加载磁场后的工作性能优于不加载磁场的电池性能，当工作温度为45℃时，磁场提升PEMFC功率密度最大，达到14.4%。当PEMFC阳极侧和阴极侧采用不同温度条件时，加载磁场后PEMFC的工作性能提升幅度有很大不同，不加磁场时，氢气侧65℃、氧气侧45℃时的极化曲线斜率比氢气侧45℃、氧气侧65℃时的大很多，但加载磁场后，两者之间的斜率差缩小，表明磁场对电池内部氧气传质影响大于对氢气的影响。

质子交换膜燃料电池;磁场;工作性能;温度

氢能作为一种清洁能源，具有密度低、热值高等一系列优点，是未来能源领域重点发展的新能源。质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以应用于电动汽车、潜艇和可移动电源[1]。操作条件，如电池温度、气体流量和反应气体的增湿温度等，均会影响PEMFC的性能。对于具体的电池结构，需要通过实验对操作条件进行优化[2]。PEMFC的工作特性和其所处环境条件有密切联系，在饱和增湿温度条件下，升高工作温度会降低膜的内阻并提高电池性能，在不饱和增湿温度条件下，温度升高会使内阻上升，增加欧姆极化[3]。不同反应温度和不同流量等条件都会导致电池的输出性能变化。

PEMFC电化学反应速率是反映PEMFC工作性能优劣的重要因素之一，而磁场对电化学反应的腐蚀速率、pH值、传质速率等的影响主要归因于磁场改变了电池内部的传质速率和电子偏转[4]。

本文通过加载外部磁场的方式来改变电池的工作环境，控制电池阴阳极的饱和增湿温度为60℃，电池阳极侧垂直加载磁场强度为410 mT的永磁体(磁体北极朝着阳极)，测试反应气体温度为35、45、55、65、75℃时电池的工作性能，以及阴极和阳极采用不同温度组合时，燃料电池工作性能的变化。通过比较不同条件下燃料电池的输出功率密度曲线、输出电流曲线、极化曲线，研究磁场条件下有助于提高电池工作性能的最适合温度。

1 实验

1.1 实验设备及条件

本实验采用的设备和仪器包括：燃料电池测试系统(Arbin仪器天津有限公司)；PF-035S高斯计 (力田磁电科技有限公司)；PEMFC单体(Fuel Cell Store，工作面积尺寸为26.5 mm×26.5 mm)；20 mm×20 mm×20 mm钕铁硼永磁铁。

实验将PEMFC接入Arbin测试系统中，将永磁体贴于PEMFC的阳极侧的外壁。PEMFC采用纯度为99.999%氢氧供气；测试系统所供应电池的氢气流量固定为0.08 L/min，氧气流量为0.10 L/min。供气的气体加热温度先从35℃开始，逐步提升到75℃。

1.2 磁场影响电化学反应的理论基础

外加非均匀磁场对PEMFC工作性能的影响主要通过电化学反应中的磁梯度力Fm实现。在温度较低环境下，PEMFC工作性能主要由膜电极活性决定[5]。磁梯度力Fm源于非均匀磁场中电化学反应生成顺磁性的分子，它跟磁场强度、磁场梯度以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。单位体积磁介质所受到的磁化力[6]为：

式(1)～(2)中：Fm为磁感线方向介质受到的磁化力；X为磁化率；X0为1.0×105，273 K条件下气体的体积磁化率，X0O2=1.91×10－6，X0H2=2.18×10－9；dB/dX为磁场梯度。

式(1)表明进入电池内部的燃料气体受磁梯度力的作用，进而促进反应的进行。式(2)表明磁导率与反应温度的二次方成反比，温度越低，反应越容易受到磁场力的作用，进而影响电池的输出电能特性，当反应气体温度升高时，其磁梯度力的作用减弱。由于氧气的磁化率比氢气大3个数量级左右，因此磁场对氧气的传质影响较大。

2 实验结果与讨论

2.1 温度变化对PEMFC工作性能的影响

实验分别测试PEMFC在不加载磁场与加载磁场两种条件下，随着温度逐步提升，输出电流随时间的变化，温度分别为 35、45、55、65、75 ℃时的电流变化曲线见图 1。

图1 不同温度下输出电流值随时间的变化

从图1可以看出，在饱和增湿的情况下，随着反应气体温度的逐步提升，PEMFC输出电流值越来越高，加载磁场后电池的性能都得到不同程度的优化，随着温度升高，电池加载磁场的影响效果呈现先增加后减弱的特征。45℃时，不加磁场输出电流为1.196 A，加载磁场后电流值为1.361 A，磁场对燃料电流的提升百分比最大，约为13.8%；65℃时PEMFC输出电流绝对值最大，不加磁场时输出电流达到最大值1.469 A，加载磁场后电流值为1.502 A。温度达到75℃时，电池温度大于阴阳极饱和增湿温度，电池内阻增加，输出电流值下降，不加磁场时电流为1.230 A，加载磁场后为1.261 A。

针对图1中的磁场对电池性能的提升百分比为最大(45℃)、输出电流绝对值最大(65℃)以及超过饱和增湿温度(75℃)三种情况进行进一步分析，这3个温度下的PEMFC的极化曲线与功率密度曲线如图2和图3所示。

图2 三种温度下PEMFC的极化曲线

图3 三种温度下PEMFC的功率密度曲线

从图2和图3可以看出：在一定饱和湿度温度内，随着温度的升高，PEMFC的极化曲线斜率逐渐减小，PEMFC工作性能提高，功率密度提升。加磁场后，PEMFC的极化曲线都变得平缓，工作性能比不加磁场时有所提升；综合图1、图2和图3可以看出，45℃时电池加磁场后电池的启动时间缩短，电池能更快时间地达到稳定工作阶段，加载磁场前后功率密度从59.1 mW/cm2提升到67.6 mW/cm2，功率密度提升约14.4%。在65℃时PEMFC性能达到最好，不加磁场达到最大值为70.9 mW/cm2，加磁场后电池功率密度达到77.33 mW/cm2，功率提升百分比为9.1%。当电池温度超过饱和增湿温度到达75℃时，电池本身极化内阻增加，电池性能下降。该温度下不加载磁场时功率密度减小为60.2 mW/cm2，当加载磁场后，PEMFC极化曲线较不加磁场得到优化，电池极化内阻减小，功率密度增加到63.34 mW/cm2。

2.2 磁场条件下阴阳极温度不同变化对PEMFC工作性能影响

由式(2)知道，氧气与氢气的磁化率值相差三个数量级，因此随着温度提升，磁场对阴极(O2)的影响与对阳极侧(H2)会不同。因此，实验选择功率密度提升比最大的45℃和输出功率密度最大的65℃两个温度，测试在氧气侧和氢气侧分别定温为65和45℃两种条件下磁场对PEMFC工作性能的影响。实验中垂直于电池阳极侧加载表面磁场强度约为410 mT单磁体，氧气侧定温65℃、氢气侧定温45℃以及氧气侧定温45℃、氢气侧定温65℃条件下加载磁场前后的极化曲线如图4所示。

图4 加载磁场前后不同定温条件下PEMFC的极化曲线

从图4可以看出，当设定电池氢气侧65℃、氧气侧45℃时的极化曲线比氢气侧45℃、氧气侧65℃时更陡，主要原因是氧气侧保持较高温度，有利于水的排除，电池性能较好。但磁场使得两种条件下的极化曲线都得到了优化，加载磁场前后极化曲线的斜率差距缩小，电池性能得到优化。对比两种条件，氧气侧温度65℃时，加载磁场的极化曲线斜率更小些，这与氧气磁化率大于氢气磁化率三个数量级有关，磁场对氧气的作用更加明显。

3 结论

本文通过实验测试了不同温度条件下磁场对质子交换膜燃料电池工作性能的影响，得到如下结论：

(1)在PEMFC阳极侧加载410 mT的磁场，不同温度下加载磁场前后的PEMFC的工作性能具有明显差异。随着温度升高，电池加载磁场的影响效果呈现先增加后减弱的特征。45℃时磁场对燃料电流的提升百分比最大，65℃时PEMFC输出电流绝对值最大，温度达到75℃时，电池温度大于阴阳极饱和增湿温度，电池内阻增加，输出电流值下降。

(2)PEMFC在加载磁场后的工作性能优于不加载磁场的PEMFC，电池温度为45℃时，电池加载磁场提升百分比为最大，达到14.4%。当电池温度为65℃时，电池输出功率密度最大，加载磁场后的功率提升百分比为9.1%。

(3)当电池进气为不同温度条件时，加载磁场后PEMFC的输出功率密度提升幅度不同，电池氢气侧65℃、氧气侧45℃时的极化曲线斜率比氢气侧45℃、氧气侧65℃时增大，但加载磁场后，两者之间的斜率差缩小，磁场对氧气的影响大于对氢气的影响。

[1]吴金锋，侯明，衣宝廉，等.质子交换膜燃料电池电流分布测定[J].电源技术，2002，26(2)：80-83.

[2]刘建国，孙公权.燃料电池概述[J].物理，2004,33(2)：79-84.

[3]蔡军，王立，吴平.利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究[J].北京科技大学学报，2006，28(11)：1058-1063.

[4]仲志丹，王冰雪，杨晴霞，等.PEMFC电流分布对外部磁场影响的研究[J].电源技术与应用，2014，40(3)：55-58.

[5]黄健，詹跃东，王华.PEMFC输出性能的主要影响因素及其评价方法[J].电源技术，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

吴懋亮（1970—），男，山东省人，博士，副教授，主要研究方向为燃料电池。