磁檢測與磁效應在質子交換膜燃料電池中的應用研究

孫玄鍇 孫瀚霆

上海電力大學能源與機械工程學院

0 引言

近一個世紀以來，人們對高效節能、具有低排放、低污染性能的能源需求十分迫切。質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cell)是一種常見的新能源電源，其優勢是工作溫度相對較低(約60℃～80℃)，電源啟動快，且具有高電壓、電流和功率密度，對環境敏感度低，可使用空氣直接發電等優勢，這些因素使質子交換膜燃料電池成為近幾十年熱門的新能源研究課題[1,2]。但同時，許多不利因素使質子交換膜燃料電池無法商業化普及，如電池對燃料(氫氣)雜質非常敏感、反應物需要加熱加濕且催化劑(鉑)與質子交換膜造價成本昂貴等[3,4]。PEMFC在運行時受到多種環境參數的影響，如環境溫度、電池運行溫度、氣體流量、重力、氣體濕度等[5]。

目前，研究學者致力于通過減少電池成本、提升電池性能及壽命以促進燃料電池商業化。一方面，PEMFC以氫氣為燃料，其唯一產物是水[6]。在PEMFC運行時，反應產生的水如果不能及時排出，將會導致電極淹沒、氣體傳質受阻等負面影響，進而阻止燃料和氧化物的傳輸，發生“水淹”現象，導致電池“饑餓”而無法工作；同時，水又是質子交換膜傳輸質子的直接參與者，若水過少會導致質子傳輸阻力大，導致電極活性降低。因此，電池內部的含水量直接影響電池的發生性能、穩定性和壽命，水平衡是PEMFC發展的重要技術之一[7-9]。另一方面，電池自身性能的提升及其穩定性也是熱門的研究話題。近十年來，磁檢測技術及磁效應在上述兩個方面已有較為廣泛的應用。

1 PEMFC的組成及工作原理

一個典型的質子交換膜燃料電池的主要組成部分有質子交換膜、催化劑、氣體擴散層、流場板、墊圈和端板等，見表1。實際的燃料電池往往運用各種工序將質子交換膜、氣體擴散層和催化劑層如同三明治疊合組裝在一起，該部分成為膜電極組件（Membrane Electrode Assembly）。

PEMFC在運行時，氫氣在陽極被氧化的同時氧氣在陰極被還原，質子通過質子交換膜從陽極傳遞到陰極，同時電子在外部電路被送至陰極。質子交換膜使氫質子始終保持離子狀態，在分子間運動；電子同時被吸引至導電材料中，必要時運動到負載，最后達到陰極。在陰極，氧氣與氫離子和電子發生反應生成水并產生熱量。如圖1所示。

圖1 質子交換膜燃料電池運行示意圖

2 磁檢測在PEMFC的應用

PEMFC在運行中產生電流，因此電池將自帶感應磁場。仲志丹[10]等人提出了一種數學模型，其基于電磁關系簡單判斷PEMFC電流內部變化情況的方法，其特點是通過感應磁場，采用非接觸測量方式進行檢測，不會對電池內部結構及其正常工作產生干擾。數學模型基于畢奧-薩伐爾定律：

表1 PEMFC基本組件

其中，Idl表示恒定電流的一電流元，dB表示電流元在某一場點出激發的磁感應強度；r表示從電流元指向某一場點的矢徑；er是r方向上的單位矢量；μ0=4π·10-7 N/A2為真空磁導率。實驗表明取氧氣濃度為關鍵因素，當供氧不足時，電池內部會出現局部電流過低的情況，在外部磁場仿真中能得到明顯的體現。該實驗通過仿真驗證了其準確性，由電池的外部磁場分布可以推得電池內部電流分布。

Yutaro Akimoto[11]等人基于三軸磁傳感器對PEMFC電堆檢測進行了實驗研究，實驗用三軸磁傳感器通過測試電池表面感應磁場對電池內部電流分布進行檢測，磁傳感器中的磁場矢量表示從陽極側到陰極側的宏觀電流方向。實驗研究檢測了1．2kW的PEMFC電堆的運行狀況，實驗結果檢測器成功的檢測到了宏觀電流，并觀察到電流分布集中在電池的兩端，通過三軸傳感器的不同軸，可以檢測電池的水淹現象以及電壓變化。見圖2。

圖2 (a)PEMFC電堆運行時的電流分布

圖2 (b)感應磁場Z軸方向的磁場分布

Mingtao Wang[12]等人通過1H核磁共振成像(MRI)實驗，對PEMFC催化劑層之間橫向平面水含量空間分布進行了分析研究。實驗首先在具有PEMFC外部催化劑標記的PEM上建立與相應的1H MRI圖像的1H密度加權信號強度相關的校準曲線，隨后，校準該曲線用于確定操作PEMFC中的原位值，結果證明該實驗可以在各種條件下建立與之子密度加權MRI圖像強度相關的校準曲線，可應用于檢測電池內的水平衡，應用于新的PEMFC材料與模型設計。

3 磁效應在PEMFC的應用

3.1 磁效應對電池反應物的影響

栗鳳超[13]等人對氧氣的磁效應進行了實驗研究，氧氣作為順磁性氣體，其質量磁化率為+43．34×10-6m3/kg。實驗以氮氣作為對照，分析了氧氣在梯度磁場下的物理化學行為變化，結果表明，在動態平衡時，氧氣分子在梯度磁場下受指向梯度磁場的磁化力作用，氣體通道兩側的梯度磁場可以增強通道外空氣中氧氣向氣流通道內的擴散作用。

龐曉峰[14]等人研究分析了水磁處理后的一些特性，實驗通過用能洞察分子與原子結構及其特性的紅外吸收光譜和Raman譜,X射線衍射譜及紫外吸收光譜等現代技術,并結合測量與分子結構相關的表面張力,檢測了經磁場處理過的水的特性及改變情況并和純凈水比較,實驗發現磁處理水的光譜特性和力學特性發生了改變。在磁化作用下，水的物理性質如介電常數、折射率、揮發性和表面張力都發生了改變；同時，磁化作用下水的化學性質也發生了改變，水作為偶極性分子具有逆磁性，在外加磁場作用下，處于環形氫鍵鏈中的質子在磁場的洛倫茲力作用下形成環形電荷傳導，即水的磁化及其機理。除此以外，實驗還發現與分子結構相關的水的接觸角在銅和石墨上減少，該結論在PEMFC的雙極板上能起到作用。

3.2 實驗中磁效應對PEMFC的影響

H．Matsushima[15]等人通過實驗研究分析了磁場強度為B×dB/dx=±2T2m-1的梯度磁場加載在PEMFC上電池的性能變化。實驗以最常見的PEMFC配以恒電流儀進行電化學測量，結果發現，當梯度磁場分別加載于電池的兩極時，加載陽極處電池的性能得到提升，而加載陰極處電池性能下降，得出了氣體流動方向應與磁力方向相同的結論。同時，實驗還證明了梯度磁場主要作用在PEMFC極化曲線的歐姆極化區域及濃差極化區域，對活化極化區的影響甚微，磁力梯度影響了氧分子的擴散過程。

K．Ruksawong[16]等人研究了磁效應對電池水管理方面的影響，通過光學纖維布拉格光柵(FBG)傳感器從電池內部分析PEMFC運行時電池內溫度和相對濕度。實驗發現，在電池兩側加載磁場后，高電位時，電池陰極側內部溫度高于陽極側內部溫度。磁場強度為500mT時，兩側溫差達到1．6℃，在較強的磁場強度下，電流密度逐漸增加，電池內部溫差逐漸增加。從機理方面看，高電位時，電池內部水分子之間內聚力降低導致表面張力降低，摩擦系數減少、氫鍵弱化，通過洛倫茲力，磁場對水的氫鍵的影響增強了電池內部溫度。水的蒸發量提升同時也增加了電池內部濕度，質子交換膜濕度增加，電池性能得到提升。同時，由于磁化水能量低于純水，更多的水從雙極板排出，減少了水淹現象。如圖3所示。

圖3 磁效應下PEMFC兩側溫度

4 結束語

質子交換膜燃料電池的穩定性、壽命、性能的提升是促進其商業化的關鍵因素。通過磁檢測與磁效應對電池的影響，進而對電池進行上述幾個方面的改進具有積極的意義。現有的研究成果體現在以下幾個方面：

1)PEMFC在運行時電池表面產生感應磁場，研究學者通過建立數學模型、采用三軸磁傳感器對電池運行時內部電流分布進行監測，對維持電池穩定運行以及使用壽命延長具有指導意義。

2)研究學者通過MRI技術對PEMFC催化劑層中水的空間分布進行監測分析，可檢測電池內的水平衡，并能夠指導MEA模塊的相關建模。

3)氧氣作為順磁性氣體，在磁場環境下氧分子能夠向磁場梯度增加的方向聚集從而提升氧濃度，研究學者以此進行相關實驗，得出在陽極側加載梯度磁場、能提升電池性能的結論。

4)水作為電池反應唯一產物，磁效應下的水將發生物理化學性質的變化。在電池兩側加載磁場后，磁化水一方面能夠增加電池兩側溫差，同時磁化水能量低于純水，蒸發量提升，使電池性能提升，更多的水能從氣體擴散層中排除，減少了電池的水淹現象。