基于分形模型的PEM燃料电池扩散层物性研究

论文摘要

在质子交换膜（PEM：Proton Exchange Membrane）燃料电池中，气体扩散层（GDL：Gas Diffusion Layer）是电极的重要组成部分，其结构和性能参数对电池的综合性能有重要的影响。扩散层的物性参数（如渗透率、有效热导率和有效扩散系数等）与其微结构特征有密切联系，是进行模拟计算的重要基础。研究表明，扩散层具有随机性、无序性和自相似性等分形特性。分形几何已经广泛应用到涉及无序结构和多尺度物理问题的工程中，尤其在表征复杂结构方面，非常有效。本文应用分形理论，以扩散层为研究对象，采用压汞试验和扫描电子显微镜（SEM：Scanning Electron Microscope）灰度图像研究扩散层的分形特性，利用分形维数来描述扩散层的微结构特征，进一步对扩散层的物性参数进行了较深入的研究，主要研究成果概括如下： 对30wt％PTFE处理前后的TGP-H-060型碳纤维纸进行压汞试验，测量其孔径分布。运用分形几何方法对压汞的试验数据进行分析，结果表明，PEM燃料电池扩散层材料试样的孔隙结构分形特性非常明显，在测得的孔径范围内具有标度不变性，可以考虑用分形加以分析，这是本文研究工作的基础。 针对PEM燃料电池扩散层结构，引入曲线分形维数和孔隙面积分形维数。基于30wt％PTFE处理前后TGP-H-060型碳纤维纸的扫描电子显微镜图像，研究了5种分形维数的测定方法（盒维法、差分盒维法、双毯法、基于离散分数布朗增量随机场的方法、变分法）。因为盒维法最简单，计算结果准确、速度快，加之不失一般性，所以选择盒维法作为PEM燃料电池扩散层分形维数的测定方法，并运用该法测定了用于刻画扩散层微结构的曲线分形维数和孔隙面积分形维数。 在分析国内、外研究进展的基础上，推导了PEM燃料电池扩散层渗透率、有效热导率和有效扩散系数与分形维数之间的函数关系式。通过确定多孔介质扩散层微结构的曲线分形维数、孔隙面积分形维数及其最小、最大孔径等参数，就可预测相应的物性参数。此外，还研究了两个分形维数和孔隙率对这些物性参数的影响。 描述了整个PEM燃料电池中的质量、动量、能量和组分守恒方程，多孔介

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 PEM燃料电池及其计算机模拟
• 1.1.1 PEM燃料电池
• 1.1.2 PEM燃料电池的计算机模拟
• 1.1.3 PEM燃料电池模型简述
• 1.2 扩散层多孔介质及其分形模型
• 1.2.1 PEM燃料电池的扩散层
• 1.2.2 多孔介质及其分形模型
• 1.3 本文工作
• 第2章 PEM燃料电池扩散层的分形特征
• 2.1 分形几何
• 2.1.1 分形的概念
• 2.1.2 分形的性质
• 2.1.3 分形维数
• 2.1.4 分形理论在材料表征研究中的应用
• 2.2 PEM燃料电池扩散层压汞试验
• 2.2.1 压汞测孔试验原理和方法
• 2.2.2 扩散层碳纤维纸试样
• 2.2.3 测试结果
• 2.3 压汞试验结果的分形分析
• 2.3.1 扩散层多孔介质分形特性
• 2.3.2 扩散层分形维数的测定
• 2.3.3 结果分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 扩散层的分形描述及分形维数
• 3.1 扩散层的分形描述
• 3.1.1 表征毛细管通道弯曲的分形标度关系
• 3.1.2 表征孔径与孔隙数目的分形标度关系
• 3.2 分形维数的测定方法
• 3.2.1 分形维数测定方法的分类
• 3.2.2 基于数字图像的分形维数测定方法
• 3.2.3 基于 SEM图像的扩散层分形维数测定方法优选
• 3.3 扩散层孔隙面积分形维数的测定
• 3.4 扩散层曲线分形维数的测定
• 3.5 本章小结
• 第4章 扩散层渗透率的分形模型及预测
• 4.1 多孔介质渗透率及其分形研究
• 4.1.1 多孔介质的渗透率
• 4.1.2 多孔介质渗透率的研究方法
• 4.1.3 多孔介质渗透率的分形研究
• 4.2 扩散层渗透率的分形模型
• 4.2.1 扩散层的流量计算
• 4.2.2 扩散层的渗透率及分析
• 4.2.3 扩散层渗透率中的单元截面计算
• 4.3 扩散层渗透率的分形预测
• 4.3.1 渗透率分形模型的验证
• 4.3.2 分形维数和孔隙率对渗透率的影响
• 4.3.3 Knudsen效应对渗透率的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 扩散层热导率的分形模型及预测
• 5.1 多孔介质热导率及其分形研究
• 5.1.1 多孔介质中的传热
• 5.1.2 多孔介质热导率的研究方法
• 5.1.3 多孔介质热导率的分形研究
• 5.2 扩散层热导率的分形模型
• 5.2.1 并联模型
• 5.2.2 串联及串并联混合模型
• 5.3 扩散层热导率的分形预测
• 5.3.1 热导率分形模型的预测分析
• 5.3.2 分形维数和孔隙率对热导率的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 扩散层扩散系数的分形模型及预测
• 6.1 多孔介质扩散系数及其分形研究
• 6.1.1 多孔介质的扩散系数
• 6.1.2 多孔介质扩散系数的研究方法
• 6.1.3 多孔介质扩散系数的分形研究
• 6.2 扩散层扩散系数的分形模型
• 6.3 扩散层扩散系数的分形预测
• 6.4 本章小结
• 第7章 扩散层分形维数对 PEM燃料电池性能的影响
• 7.1 PEM燃料电池性能模拟的数学模型
• 7.1.1 连续方程
• 7.1.2 动量方程
• 7.1.3 能量方程
• 7.1.4 组分方程
• 7.1.5 电化学方程
• 7.2 几何模型、边界条件及计算方案
• 7.2.1 几何模型
• 7.2.2 边界条件
• 7.2.3 计算方案
• 7.3 计算结果及分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论及展望
• 8.1 结论
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研项目