随着社会的快速发展，传统能源的不断消耗，能源危机与环境问题日益凸显，燃料电池以其较高的能量转化效率、无污染特性引起了世界各国广泛的关注，而质子交换膜燃料电池是其中应用最广、最受重视的一种燃料电池，其广泛应用于固定电站、便携电源、移动动力源以及航天方面。如今，PEMFC的研究日益成熟，但是，至今仍然未能实现大规模的商业化，因为PEMFC仍存在一些问题必须解决，其中，水管理是最重要的问题之一，其对PEMFC的性能具有较大的影响。在低温工作的质子交换膜燃料电池中，发生在阴极的电化学反应会产生水（液态），而质子交换膜中质子传递需要借助水，如果水管理处理不当，会造成膜脱水、电极水泛滥等，从而影响燃料电池性能。本篇论文通过对质子交换膜燃料电池中多孔介质中水传递的模拟和仿真，使我们对质子交换膜燃料电池内部水的运输和传递有更加深入的了解。为PEMFC的水管理，提高燃料电池的性能和使用寿命提供理论依据和改进方向。

在对质子交换膜燃料电池GDL水传递过程的研究中，为了阐述GDL中两相传输现象，发展出了各种数字模型。国外有学者使用基于平均场扩散界面理论的多相多松弛时间的格子Boltzmann法（MRTLB）来模拟水传递过程，该方法能够处理大密度比和各种粘度比的多相流体，使用标准的反弹边界条件，然后通过将LBM耦合到一个孔隙尺度模型(PSM)来确定液态水对有效传输特性的影响。在多孔介质流体模拟的研究中，目前使用较多的是BGK近似模型，由Bhatnagar等人提出，使得计算得到简化，其中，以Qian等人提出的DnQb模型为代表，被广泛应用到该领域的研究中。Rothman，Chen等人使用格子气自动机模型研究了多孔介质流。随后，Shan和Chen使用LBM模拟了多孔介质中的多相多组分流。

国内对燃料电池的研究开始相对较晚，但是技术也在逐步成熟，国内也有学者使用双流体模型来模拟和研究质子交换膜燃料电池的水传递，并且采用分形的方法对电池扩散层所用碳纸进行描述，对水的相对渗透率进行预测。采用双流体模型描述质子交换膜燃料电池内部的两相流动情况，克服了混合模型不能描述液态水在扩散层表面形成液滴然后脱落的过程，且不能反映扩散层表面性质对液态水排出影响的不足。早在1997年，阎广武等人应用7-Bit正六角形格子的不可压缩LBM模型，较好地模拟了多孔介质中的流动情况，并得出了其中压力梯度以及流量之间的关系。郑忠等人提出了13-Bit正六边形多速格子气自动机模型，对通过计算机生成的多孔介质中的流体流动特性进行了研究和模拟。

2. 研究的基本内容与方案

研究基本内容：

本次研究围绕质子交换膜燃料电池多孔介质中水传递的模拟和仿真，依据格子Boltzmann的方法理论，基于扩散表面理论，并且使用反弹边界以及无滑移边界条件，建立MRTLB（Multiple-Relaxation-TimeLattice Boltzmann）模型，形成可求解的两相流多重松弛时间数值模型，从而可以模拟多相（气液）及多粘度比的流体的流动，并且使得计算结果更加准确可靠。利用Matlab构建质子交换膜燃料电池气体扩散层的微观孔隙结构，并使孔隙率为0.8。利用已开发的格子玻尔兹曼计算程序，计算并分析经过数值重构的多孔介质，并且在服务器上运算及后处理，对结果进行分析、归纳，说明该模型具有可行性，并得出影响质子交换膜燃料电池扩散层中水传递的主要因素。

研究目的：

通过此次毕业设计，期望达成以下目标：

（1）通过查阅关于质子交换膜燃料电池的基本原理、燃料电池多孔介质中水传递方面的文献资料，了解国内外相关研究现状；

（2）了解格子Boltzmann方法的原理及其在处理多相流模型中的优势及应用；