质子交换膜燃料电池内趋肤效应模拟研究.pdfVIP

摘要 趋肤效应(SkinEffect)又称为集肤效应或表皮效应。它是指当高频交流电 流通过导体时，电流并不是平均分配流过整个导体的横截面积，而是集中于导体 表面层流过，导体中心流过的电流很小甚至没有电流流过。 MembraneFuel 质子交换膜燃料电池(Proton Cell，PEMFC)具有可 Exchange 在室温下快速启动、无电解液流失、结构相对简单、比功率和比能量高等突出优 点，已成为燃料电池研究热点。在燃料电池内部导电材料上可能会有趋肤效应现 象的存在，趋肤效应现象导致燃料电池内部电流密度分布不均匀，从而影响燃料 电池的寿命。 本文采用数值模拟方法研究了质子交换膜燃料电池内部的趋肤效应现象，根 据麦克斯韦电磁理论(MaxwellElectromagneticTheory)建立了趋肤效应现象计算 模型，通过比较计算结果与实验结果验证计算模型的可行性。计算了燃料电池不 锈钢和石墨双极板材料中的趋肤效应现象，研究了双极板材料、横截面形状对双 极板材料趋肤效应现象的影响以及不同材料串联时中间材料上的趋肤效应现象。 计算结果表明：(1)相同横截面积大小的正方形、矩形和圆形双极板，在相同的 计算条件下，双极板截面为矩形时可以减少趋肤效应带来的电流密度分布不均 匀；(2)对于矩形截面的双极板，随着双极板横截面长宽比的增加，趋肤效应现 象越不明显；(3)当不同材料串联时，两端材料的导电率不同会导致中间材料的 电流密度分布不同；当两端材料导电率不变时，随着中间材料轴向长度的不同， 其中的电流密度分布规律也不相同。 在上述模拟结果的基础上建立燃料电池单片电池的趋肤效应计算模型，研究 结果表明：(1)对于活性面积为20cmx3．8cm的直流道燃料电池，控制交流分量 的电流频率在lkHz以下时可以有效避免趋肤效应带来的影响；(2)由于扩散层 的厚度很薄，扩散层上的电流密度分布基本不受趋肤效应现象的影响，即扩散层 上的趋肤效应现象可以忽略不计；(3)双极板上的趋肤效应现象比较明显，电流 密度分布很不均匀：在双极板中间截面上电流的趋肤效应现象最明显；双极板各 个横截顽的边缘处以及肋条与流道的接触面上电流密度较大。 关键词：质子交换膜燃料电池，趋肤效应，电流密度，双极板 Abstract Skineffectisthe causedalternatecurrent． electromagneticphenomenonby Whenthealternatecurrent the current distribution goesthroughconductor,thedensity is thecross of not on concentrateatthe theconductor． section，but average mostly edge In themiddleoftheconductorthereisalmostnocurrent． Proton MembraneFuel thehotresearch Exchange CelI(PEMFC)becomes becauseit has as startatroom manyadvantages，suchrapid temperature，no and effect electrolytewast