1．目的及意义

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具备高效、高功率密度、快速启动和零排放的特点，近年来已成为新能源汽车的动力装置选项之一。燃料电池的工作原理在转换存储在燃料中的化学能为电能，这个过程包含且耦合了电化学反应、流体流动、传热、多组分扩散等多种物理现象，模拟仿真方法可以将这些现象做分别研究，也可以将所有参与到的现象耦合在一起做全盘的分析。

气体扩散层(GDL)作为质子交换膜燃料电池的核心部件之一，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命，气体扩散层相关内容的研究也是燃料电池领域的重要课题之一。

60年代,美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行。但由于昂贵的结构材料和高的Pt黑用量阻滞了它的发展。直到1983年加拿大国防部又资助Ballard公司发展PEMFC,至今已取得了突破性进展,电池组的功率已达1000W/L,700W/kg,超过了DOE和PNGV(Partnership for a New Generation Vehicle)制定的电汽车指标,引起了世界各发达国家和各大公司高度重视,并投巨资发展这一技术。美国三大汽车公司(GM,Ford,Chrysler)均在DOE资助下发展PEMFC电汽车,德国的Daimler-Benz和日本的Toyto motor等也在发展PEM电汽车。

Ballard公司Daimler-Benz公司用Ballard公司MK5作动力源,Ballard公司还用第二代PEMFC MK513组装200kW(275hp)电汽车发动机,以高压氢为燃料,装备了样车,其最高时速和爬坡能力均与柴油发动机一样,而加速性能还优于柴油发动机。

中科院大连化物所从1995年开始利用AFC技术积累,全面开展了PEMFC研究。先后进行了3nm～20nmPt电催化剂,Pt/C电催化剂、碳纸、碳布扩散层,电极的制备技术研究;膜电极三合一制备条件的优化,并建立模型研究了电极内气体分布,膜电极三合一内水分布与传递,设计了金属双极板,解决了电池组内增湿、密封、组装等技术问题。至今采用Dupont公司Nafion117膜,组装140cm²单电池,当工作电流密度为500mA/cm²～600mA/cm²时,工作电压为0.70V～0.65V,输出比功率gt;0.35W/cm²。并组装4对100W～200W,8对200W～300W,35对1000W～1500W的电池组,经过几十次启动停工循环,近千小时运行,其性能稳定。电子部天津电源研究所在70年代曾研究过以聚苯乙烯磺酸膜为电解质的PEMFC;90年代开展了PEMFC跟踪研究。

中科院长春应化所在90年代初开始PEMFC研究,在Pt/C电催化剂制备、表征与解析方面进行广泛工作。清华大学、天津大学、北京理工大学、石油大学等均在进行PEMFC电池结构、电催化剂与电极制备工艺研究。

孔尺度(Pore-scale)模型着眼于材料介观微结构形态对电化学反应和多物理传输过程的影响,探究电池性能与材料介观微结构的关系,对多孔复合材料电极微孔结构采用实验方法或数值方法进行重构,是锂离子电池孔尺度模型的基础和前提。

为了揭示燃料电池的孔尺度电化学反应和多物理传输机制，对电池正、负极及气体扩散层的介观微孔构形进行设计和优化，有必要开发介观孔尺度模型。

气体扩散层是由孔隙结构较为松散的基质层和孔隙结构紧凑的微孔层构成，作为燃料电池最重要的部件之一，GDL发挥着传输反应气体、排走多余液态水的作用，其材料结构对燃料电池水管理的影响尤为严重。因此，基于改进扩散层的结构的研究受到广泛关注，目前为止，关于扩散层梯度化的模拟研究均基于宏观方法，无法从孔隙微观结构分析其作用机制，同时，对梯度扩散层的两相传输性能的研究较少。规则孔隙网络模型作为对真实多孔介质的复杂孔隙空间结构的一种等效介观模型，已被广泛应用于扩散层内两相传输性能的研究。
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2. 研究的基本内容与方案

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本毕业设计结合科研项目，基于孔尺度模型(PSM)建立质子交换膜燃料电池气体扩散层三维传输模型，模拟气体扩散层中的氧气、水、电子与热量的传输过程，通过数值分析的方法，对传输现象进行研究，并为气体扩散层传输过程的数值模拟仿真提供思路和依据。本毕业设计主要开展以下工作：

1．查阅关于PSM在燃料电池建模与仿真中的应用、燃料电池性能影响因素研究方面的文献资料，了解国内外相关研究现状；