本发明涉及空气自呼吸氢氧燃料电池利用中提高阴极氧浓度的方法，具体是利用磁场环境下磁性多孔介质结构内产生的高梯度磁场促进空气自呼吸燃料电池阴极气体通道内氧富集的方法。
背景技术：
氢氧燃料电池，阳极消耗氢气，阴极消耗氧气，在催化层的作用下实现化学能与电能的转化过程。氢气供给足够的情况下，一定程度上，氧气的供给量决定着燃料电池的输出电功率。通常大型交通工具，如氢氧燃料电池汽车中，氢氧燃料电池的阴极由压缩空气提供足够的氧气持续供给，电池系统中需配备空气压缩设备，系统庞大而复杂。
高体积能量密度的氢氧燃料电池的便携式应用有着广泛的市场前景。近年提出的空气自呼吸氢氧燃料电池的概念，拟采用阴极气体通道空气自然对流实现阴极氧供给，从而降低电池系统的复杂程度。
空气自呼吸氢氧燃料电池存在的系统精简的优势是明显的，但自然对流提供的阴极氧供给不足而造成的电功率骤降也是致命的。同时，燃料电池反应生成的水在阴极一侧的积聚，无疑对阴极气体流通和氧补给形成进一步阻碍，影响电池电功率。现有技术中通过阴极疏水材料的使用加速水排出的方法，在氧浓度较低的环境，似乎不能达到进一步提高空气自呼吸燃料电池电功率的目的。
寻求一种既能有效富集氧，又能有效排水的结构设计是进一步提高空气自呼吸燃料电池体积能量密度的努力方向。
技术实现要素：
本发明的目的是革新现有空气自呼吸燃料电池阴极气体通道设计，提供一种利用磁性多孔介质结构提高空气自呼吸燃料电池阴极氧浓度的方法，从而实现空气自呼吸燃料电池体积能量密度的进一步提升。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种利用磁性多孔介质结构提高空气自呼吸燃料电池阴极氧浓度的方法，其特征在于：通过多孔结构表面梯度磁场对氧的吸附作用实现阴极氧富集。
所述多孔结构包括空气自呼吸燃料电池阴极气体通道、空气自呼吸燃料电池阳极气体通道、催化层和质子交换膜。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道和空气自呼吸燃料电池阳极气体通道平行相对布置。所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道和空气自呼吸燃料电池阳极气体通道之间夹有催化层和质子交换膜。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道富集空气中的氧气。所述空气自呼吸燃料电池阳极气体通道通入氢气。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道包括磁体和多孔结构。
所述多孔结构包括多孔状组合结构或多丝状组合结构。
所述磁体将多孔结构分隔为若干个区域。
所述磁体的数量为M。所述多孔结构被分隔的区域数量为M-1。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道的一侧与催化层相连，另一侧与外部大气环境连通。
所述空气自呼吸燃料电池阳极气体通道的一侧与催化层相连，形成与外部大气环境隔绝的氢气气体通道。
进一步，所述磁体垂直于催化层，所述磁体沿平行于催化层方向磁化。
不同位置磁体彼此平行布置，不同磁体的N和S极相对布置。
进一步，所述多孔结构由柱状结构阵列组成，所述柱状结构的材质为铁磁性的金属材料或合金材料。铁磁性材料包括铁、钴或镍。
所述柱状结构的横截面包括若干种，所述柱状结构的横截面包括圆形或等边三角形。
所述横截面中：面积范围为10-5～5mm2，高度范围为2～40mm。
所述柱状结构之间的间距范围为0.1～5mm。
进一步，所述相邻两个磁体的间距为1～30cm。
进一步，所述磁体的表面剩磁强度范围为0.1～1.5T，所述多孔结构包络空间内磁场梯度范围为2×101～5×105T/m。
值得说明的是：采用特殊的阴极气体通道设计，强化氧的富集和传质，有助于提高空气自呼吸燃料电池的功率。
空气中的氧气属于典型的顺磁性物质，当空气进入有梯度的磁场后，其中的氧分子受到开尔文力作用，力的方向指向磁场梯度增加的方向(开尔文力，即Kelvin force
其中μ0为真空磁导率，4π×10-7H/m；χ为磁化系数，氧气磁化系数χ＝3.45×10-3；B为磁场强度，T)。
所以可以通过在阴极气体通道里布置多孔结构和磁体，在磁体磁场作用下，多孔结构被磁化。计算结果表明多孔结构内形成高磁场梯度可达2×105T/m。水属于逆磁性物质，在阴极气体通道梯度磁场中受到指向磁场梯度降低方向的开尔文力，所以阴极反应生成的水有助于被及时排出，能进一步促进阴极氧气的传质过程。由于开尔文力的作用，氧在多孔结构内富集。
由于多孔介质结构紧邻阴极催化剂层，氧不断地被消耗，所以可以实现氧的连续富集作用，从而增加阴极氧气浓度，进而实现燃料电池的功率提升。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：
1)本发明通过磁体与由铁磁性材料构成的多孔结构组合，在阴极气体通道内形成高梯度磁场，利用开尔文力对于顺磁性氧和逆磁性水的显著作用，达到提高阴极氧浓度和排出阴极产生水的目的，从而提高燃料电池的功率。
2)本发明中的方法可以显著提高空气自呼吸式燃料电池的功率，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明中的空气自呼吸燃料电池示意图；
图2为本发明中的空气自呼吸燃料电池阴极气体通道放大图。
图中：空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1、磁体101、多孔结构102、空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2、催化层3和质子交换膜4。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种利用磁性多孔介质结构提高空气自呼吸燃料电池阴极氧浓度的方法，其特征在于：通过多孔结构表面梯度磁场对氧的吸附作用实现阴极氧富集。
所述多孔结构包括空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1、空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2、催化层3和质子交换膜4。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1和空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2平行相对布置。所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1和空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2之间夹有催化层3和质子交换膜4。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1富集空气中的氧气。所述空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2通入氢气。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1包括磁体101和多孔结构102。
所述磁体101垂直于催化层3，所述磁体101沿平行于催化层3方向磁化。不同位置磁体101彼此平行布置，不同位置磁体101的N和S极相对布置。
所述多孔结构102包括多孔状组合结构或多丝状组合结构。
所述磁体101将多孔结构102分隔为若干个区域。
所述磁体101的数量为M。所述多孔结构102被分隔的区域数量为M-1。
所述相邻两个磁体101的间距为1～30cm。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1的一侧与催化层3相连，另一侧与外部大气环境连通。
所述空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2的一侧与催化层3相连，形成与外部大气环境隔绝的氢气气体通道。
所述多孔结构102由柱状结构阵列组成，所述柱状结构的材质为铁磁性的金属材料或合金材料。铁磁性材料包括铁、钴或镍。
所述柱状结构的横截面包括若干种，所述柱状结构的横截面包括圆形或等边三角形。
所述横截面中：面积范围为10-5～5mm2，高度范围为2～40mm。所述柱状结构之间的间距范围为0.1～5mm。
所述磁体101的表面剩磁强度范围为0.1～1.5T，所述多孔结构102包络空间内磁场梯度范围为2×101～5×105T/m。
本发明仅仅通过开尔文力便可以实现氧气在空气自呼吸燃料电池阴极气体通道的富集，从而到达提高空气自呼吸燃料电池阴极氧气浓度的目的。本发明在提出理论方案的基础上，通过合理结构设计形成了高梯度磁场。空气自呼吸燃料电池阴极能很好地吸附空气的氧气，并加速排出燃料电池阴极反应产生的水。
实施例2：
如图1和图2所示，一种利用磁性多孔介质结构提高空气自呼吸燃料电池阴极氧浓度的方法，其特征在于：通过多孔结构表面梯度磁场对氧的吸附作用实现阴极氧富集。
所述多孔结构包括空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1、空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2、催化层3和质子交换膜4。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1和空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2平行相对布置。所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1和空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2之间夹有催化层3和质子交换膜4。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1富集空气中的氧气。所述空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2通入氢气。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1包括磁体101和多孔结构102。
所述磁体101垂直于催化层3，所述磁体101沿平行于催化层3方向磁化。不同磁体101彼此平行布置，不同磁体101的N和S极相对布置。
所述多孔结构102包括多孔状组合结构或多丝状组合结构。
所述磁体101将多孔结构102分隔为若干个区域。
所述磁体101的数量为M。所述多孔结构102被分隔的区域数量为M-1。
所述相邻两个磁体101的间距为2.8cm。
所述空气自呼吸燃料电池阴极气体通道1的一侧与催化层3相连，另一侧与外部大气环境连通。
所述空气自呼吸燃料电池阳极气体通道2的一侧与催化层3相连，形成与外部大气环境隔绝的氢气气体通道。
所述多孔结构102由柱状结构阵列组成，所述柱状结构的材质为铁磁性的金属材料或合金材料。铁磁性材料包括铁、钴或镍。
所述柱状结构的横截面为圆形。
所述横截面中：面积为2×10-4mm2，高度为3mm。所述柱状结构之间的间距为0.3mm。
所述磁体101的表面剩磁强度为0.6T，所述多孔结构102包络空间内磁场梯度为4×105T/m。
本发明仅仅通过开尔文力便可以实现氧气在空气自呼吸燃料电池阴极气体通道的富集，从而到达提高空气自呼吸燃料电池阴极氧气浓度的目的。本发明在提出理论方案的基础上，通过合理结构设计形成了高梯度磁场。空气自呼吸燃料电池阴极能很好地吸附空气的氧气，并加速排出燃料电池阴极反应产生的水。