磁检测与磁效应在质子交换膜燃料电池中的应用研究

孙玄锴 孙瀚霆

上海电力大学能源与机械工程学院

0 引言

近一个世纪以来，人们对高效节能、具有低排放、低污染性能的能源需求十分迫切。质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell)是一种常见的新能源电源，其优势是工作温度相对较低(约60℃～80℃)，电源启动快，且具有高电压、电流和功率密度，对环境敏感度低，可使用空气直接发电等优势，这些因素使质子交换膜燃料电池成为近几十年热门的新能源研究课题[1,2]。但同时，许多不利因素使质子交换膜燃料电池无法商业化普及，如电池对燃料(氢气)杂质非常敏感、反应物需要加热加湿且催化剂(铂)与质子交换膜造价成本昂贵等[3,4]。PEMFC在运行时受到多种环境参数的影响，如环境温度、电池运行温度、气体流量、重力、气体湿度等[5]。

目前，研究学者致力于通过减少电池成本、提升电池性能及寿命以促进燃料电池商业化。一方面，PEMFC以氢气为燃料，其唯一产物是水[6]。在PEMFC运行时，反应产生的水如果不能及时排出，将会导致电极淹没、气体传质受阻等负面影响，进而阻止燃料和氧化物的传输，发生“水淹”现象，导致电池“饥饿”而无法工作；同时，水又是质子交换膜传输质子的直接参与者，若水过少会导致质子传输阻力大，导致电极活性降低。因此，电池内部的含水量直接影响电池的发生性能、稳定性和寿命，水平衡是PEMFC发展的重要技术之一[7-9]。另一方面，电池自身性能的提升及其稳定性也是热门的研究话题。近十年来，磁检测技术及磁效应在上述两个方面已有较为广泛的应用。

1 PEMFC的组成及工作原理

一个典型的质子交换膜燃料电池的主要组成部分有质子交换膜、催化剂、气体扩散层、流场板、垫圈和端板等，见表1。实际的燃料电池往往运用各种工序将质子交换膜、气体扩散层和催化剂层如同三明治叠合组装在一起，该部分成为膜电极组件（Membrane Electrode Assembly）。

PEMFC在运行时，氢气在阳极被氧化的同时氧气在阴极被还原，质子通过质子交换膜从阳极传递到阴极，同时电子在外部电路被送至阴极。质子交换膜使氢质子始终保持离子状态，在分子间运动；电子同时被吸引至导电材料中，必要时运动到负载，最后达到阴极。在阴极，氧气与氢离子和电子发生反应生成水并产生热量。如图1所示。

图1 质子交换膜燃料电池运行示意图

2 磁检测在PEMFC的应用

PEMFC在运行中产生电流，因此电池将自带感应磁场。仲志丹[10]等人提出了一种数学模型，其基于电磁关系简单判断PEMFC电流内部变化情况的方法，其特点是通过感应磁场，采用非接触测量方式进行检测，不会对电池内部结构及其正常工作产生干扰。数学模型基于毕奥-萨伐尔定律：

表1 PEMFC基本组件

其中，Idl表示恒定电流的一电流元，dB表示电流元在某一场点出激发的磁感应强度；r表示从电流元指向某一场点的矢径；er是r方向上的单位矢量；μ0=4π·10-7 N/A2为真空磁导率。实验表明取氧气浓度为关键因素，当供氧不足时，电池内部会出现局部电流过低的情况，在外部磁场仿真中能得到明显的体现。该实验通过仿真验证了其准确性，由电池的外部磁场分布可以推得电池内部电流分布。

Yutaro Akimoto[11]等人基于三轴磁传感器对PEMFC电堆检测进行了实验研究，实验用三轴磁传感器通过测试电池表面感应磁场对电池内部电流分布进行检测，磁传感器中的磁场矢量表示从阳极侧到阴极侧的宏观电流方向。实验研究检测了1．2kW的PEMFC电堆的运行状况，实验结果检测器成功的检测到了宏观电流，并观察到电流分布集中在电池的两端，通过三轴传感器的不同轴，可以检测电池的水淹现象以及电压变化。见图2。

图2 (a)PEMFC电堆运行时的电流分布

图2 (b)感应磁场Z轴方向的磁场分布

Mingtao Wang[12]等人通过1H核磁共振成像(MRI)实验，对PEMFC催化剂层之间横向平面水含量空间分布进行了分析研究。实验首先在具有PEMFC外部催化剂标记的PEM上建立与相应的1H MRI图像的1H密度加权信号强度相关的校准曲线，随后，校准该曲线用于确定操作PEMFC中的原位值，结果证明该实验可以在各种条件下建立与之子密度加权MRI图像强度相关的校准曲线，可应用于检测电池内的水平衡，应用于新的PEMFC材料与模型设计。

3 磁效应在PEMFC的应用

3.1 磁效应对电池反应物的影响

栗凤超[13]等人对氧气的磁效应进行了实验研究，氧气作为顺磁性气体，其质量磁化率为+43．34×10-6m3/kg。实验以氮气作为对照，分析了氧气在梯度磁场下的物理化学行为变化，结果表明，在动态平衡时，氧气分子在梯度磁场下受指向梯度磁场的磁化力作用，气体通道两侧的梯度磁场可以增强通道外空气中氧气向气流通道内的扩散作用。

庞晓峰[14]等人研究分析了水磁处理后的一些特性，实验通过用能洞察分子与原子结构及其特性的红外吸收光谱和Raman谱,X射线衍射谱及紫外吸收光谱等现代技术,并结合测量与分子结构相关的表面张力,检测了经磁场处理过的水的特性及改变情况并和纯净水比较,实验发现磁处理水的光谱特性和力学特性发生了改变。在磁化作用下，水的物理性质如介电常数、折射率、挥发性和表面张力都发生了改变；同时，磁化作用下水的化学性质也发生了改变，水作为偶极性分子具有逆磁性，在外加磁场作用下，处于环形氢键链中的质子在磁场的洛伦兹力作用下形成环形电荷传导，即水的磁化及其机理。除此以外，实验还发现与分子结构相关的水的接触角在铜和石墨上减少，该结论在PEMFC的双极板上能起到作用。

3.2 实验中磁效应对PEMFC的影响

H．Matsushima[15]等人通过实验研究分析了磁场强度为B×dB/dx=±2T2m-1的梯度磁场加载在PEMFC上电池的性能变化。实验以最常见的PEMFC配以恒电流仪进行电化学测量，结果发现，当梯度磁场分别加载于电池的两极时，加载阳极处电池的性能得到提升，而加载阴极处电池性能下降，得出了气体流动方向应与磁力方向相同的结论。同时，实验还证明了梯度磁场主要作用在PEMFC极化曲线的欧姆极化区域及浓差极化区域，对活化极化区的影响甚微，磁力梯度影响了氧分子的扩散过程。

K．Ruksawong[16]等人研究了磁效应对电池水管理方面的影响，通过光学纤维布拉格光栅(FBG)传感器从电池内部分析PEMFC运行时电池内温度和相对湿度。实验发现，在电池两侧加载磁场后，高电位时，电池阴极侧内部温度高于阳极侧内部温度。磁场强度为500mT时，两侧温差达到1．6℃，在较强的磁场强度下，电流密度逐渐增加，电池内部温差逐渐增加。从机理方面看，高电位时，电池内部水分子之间内聚力降低导致表面张力降低，摩擦系数减少、氢键弱化，通过洛伦兹力，磁场对水的氢键的影响增强了电池内部温度。水的蒸发量提升同时也增加了电池内部湿度，质子交换膜湿度增加，电池性能得到提升。同时，由于磁化水能量低于纯水，更多的水从双极板排出，减少了水淹现象。如图3所示。

图3 磁效应下PEMFC两侧温度

4 结束语

质子交换膜燃料电池的稳定性、寿命、性能的提升是促进其商业化的关键因素。通过磁检测与磁效应对电池的影响，进而对电池进行上述几个方面的改进具有积极的意义。现有的研究成果体现在以下几个方面：

1)PEMFC在运行时电池表面产生感应磁场，研究学者通过建立数学模型、采用三轴磁传感器对电池运行时内部电流分布进行监测，对维持电池稳定运行以及使用寿命延长具有指导意义。

2)研究学者通过MRI技术对PEMFC催化剂层中水的空间分布进行监测分析，可检测电池内的水平衡，并能够指导MEA模块的相关建模。

3)氧气作为顺磁性气体，在磁场环境下氧分子能够向磁场梯度增加的方向聚集从而提升氧浓度，研究学者以此进行相关实验，得出在阳极侧加载梯度磁场、能提升电池性能的结论。

4)水作为电池反应唯一产物，磁效应下的水将发生物理化学性质的变化。在电池两侧加载磁场后，磁化水一方面能够增加电池两侧温差，同时磁化水能量低于纯水，蒸发量提升，使电池性能提升，更多的水能从气体扩散层中排除，减少了电池的水淹现象。