质子交换膜燃料电池内电流趋肤效应研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要趋肤效应是时变电流通过导体时，引发导体内部电流密度呈非均匀分布的电磁学现象。在趋肤效应的作用下，导体中的电流有向导体表面集中的趋势。直接反映为：导体的表面电流密度增大，中心电流密度减小。质子交换膜燃料电池的耐久性和寿命是制约其商业发展的重要因素，特别是在动态负载环境下，电池性能衰减和寿命变短的问题更加突出。在燃料电池输出时，一旦电流发生快速变化，电流波形经傅里叶变换，可分解为一个恒稳直流量和多个余弦交流分量。而根据麦克斯韦电磁学理论：时变正弦(与余弦存在相位差)电流通过导体时，能在导体内产生趋肤效应。

2、因为通过电池的电流就有含有交流分量。故此推断：燃料电池在输出时，电池内部可能产生趋肤效应。本文针对燃料电池的集流板材料，研究在直流脉冲方波电流以及直流高频正弦波形电流下，电流密度在材料径向分布规律。电流密度的探测，采用感应线圈测出材料内径向各处的感应电动势，并使用电流积分公式计算出电流密度的大小。从而找出电流密度的分布规律。围绕以上几点，本论文的研究内容为直流脉冲方波脉冲和直流正弦变化电流分别通过圆形不锈钢和石墨集流板材料的实验测试。使用感应线圈测得材料半径方向上不同位置的感应电动势。并使用电流积分公式计算得到该点电流密度的大小

3、。找出电流密度的分布规律。最后绘出电流密度的分布曲线。研究发现：(1)两种高频电流在通过石墨和不锈钢集流板材料时，材料内部沿半径方向的电流密度，从中间向外，电流密度增加；(2)高频电流的频率越高，趋肤效应越明显，电流密度分布越不均匀；(3)高频电流的幅值越大，趋肤效应越明显，电流密度分布越不均匀；(4)同等条件下，不锈钢材料的电流密度分布状况均比石墨材料更加的不均匀。因此在设计和使用燃料电池时必须考虑由趋肤效应引发的电流密度分布不均对电池性能和寿命的影响。关键词：质子交换膜燃料电池，电流密度分布，趋肤效应武汉理工大学硕士学位论文

4、AbstractTheskineffectistheelectromagneticphenomenoncausedbyalternatecurrent，whichmakestheelectrongoingtothesurfaceoftheconductor’SOitmakesthecurrentdensitydenserattheedgewhileitissparserinthecenter．ThemajorobstacleforthePEM(ProtonExchangeMembrane)fuelcellcommercializ

5、ationisthedurability．Especiallyduringthedynamicstatus，attenuationofcellperformancebecomesstronger．Whentheoutputschangedrapidly,accordingtoFouriertransformation，thecurrentisactuallythevectorsumofonesteadydirectcurrentcomponentandnumerouscosinealternatingcurrentcompone

6、nts，andinMaxwelltheory,sinealternatecurrent(havethedifferentphasepositiontocosinecurrent)Cancauseskineffectinconductor．Becauseallthehigh矗equencycomponentsarecosinealtematingcurrentsandthealternatecurrentcallcauseskineffectintheconductor,SOit’Sconfirmedthatwhenthedire

7、cttrianglepulsecurrentpassesthroughtheconductor,skineffectCanbeproduced．Inthispaper,thepolarplatesofgraphiteandstainlesssteelhavebeenresearched，f'mdingthecurrentdensitydistributionunderthedirectimpulsewaveanddirectsinewavecurrents．Usingthecoilprobetodetectstheinduced

8、electromotiveforce(EMF)inthematerials．Atlast，thecurrentdensitycalculatedbythecurrentintegralformula,andtheregularityofcurrentdensit