質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)趨膚效應(yīng)模擬研究.pdf

1、趨膚效應(yīng)(Skin Effect)又稱(chēng)為集膚效應(yīng)或表皮效應(yīng)。它是指當(dāng)高頻交流電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流并不是平均分配流過(guò)整個(gè)導(dǎo)體的橫截面積，而是集中于導(dǎo)體表面層流過(guò)，導(dǎo)體中心流過(guò)的電流很小甚至沒(méi)有電流流過(guò)。
　　 質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有可在室溫下快速啟動(dòng)、無(wú)電解液流失、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、比功率和比能量高等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為燃料電池研究熱點(diǎn)。在燃料電池內(nèi)部導(dǎo)電

2、材料上可能會(huì)有趨膚效應(yīng)現(xiàn)象的存在，趨膚效應(yīng)現(xiàn)象導(dǎo)致燃料電池內(nèi)部電流密度分布不均勻，從而影響燃料電池的壽命。
　　 本文采用數(shù)值模擬方法研究了質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的趨膚效應(yīng)現(xiàn)象，根據(jù)麥克斯韋電磁理論(Maxwell Electromagnetic Theory)建立了趨膚效應(yīng)現(xiàn)象計(jì)算模型，通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證計(jì)算模型的可行性。計(jì)算了燃料電池不銹鋼和石墨雙極板材料中的趨膚效應(yīng)現(xiàn)象，研究了雙極板材料、橫截面形狀對(duì)雙極板材料

3、趨膚效應(yīng)現(xiàn)象的影響以及不同材料串聯(lián)時(shí)中間材料上的趨膚效應(yīng)現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果表明：(1)相同橫截面積大小的正方形、矩形和圓形雙極板，在相同的計(jì)算條件下，雙極板截面為矩形時(shí)可以減少趨膚效應(yīng)帶來(lái)的電流密度分布不均勻；(2)對(duì)于矩形截面的雙極板，隨著雙極板橫截面長(zhǎng)寬比的增加，趨膚效應(yīng)現(xiàn)象越不明顯；(3)當(dāng)不同材料串聯(lián)時(shí)，兩端材料的導(dǎo)電率不同會(huì)導(dǎo)致中間材料的電流密度分布不同；當(dāng)兩端材料導(dǎo)電率不變時(shí)，隨著中間材料軸向長(zhǎng)度的不同，其中的電流密度分布規(guī)律也

4、不相同。
　　 在上述模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上建立燃料電池單片電池的趨膚效應(yīng)計(jì)算模型，研究了三種電流頻率(10kHz、5kHz、1kHz)下燃料電池內(nèi)部電流密度分布情況。計(jì)算結(jié)果表明：(1)對(duì)于活性面積為20cm×3.8cm的直流道燃料電池，控制交流分量的電流頻率在1kHz以下時(shí)可以有效避免趨膚效應(yīng)帶來(lái)的影響；(2)由于擴(kuò)散層的厚度很薄，擴(kuò)散層上的電流密度分布基本不受趨膚效應(yīng)現(xiàn)象的影響，即擴(kuò)散層上的趨膚效應(yīng)現(xiàn)象可以忽略不計(jì)；(3)雙極板