质子交换膜燃料电池接触电阻数学建模与参数分析

论文摘要

燃料电池以电化学反应方式将储存在燃料和氧化剂中的化学能不经过燃烧而直接转换为电能。其中,质子交换膜（PEM）燃料电池以其启动快、排放低、工作温度低等优点而逐渐引起人们的重视。PEM燃料电池内双极板/气体扩散层间接触电阻是造成其正常工作状态下能量损失的重要来源。本文研究了PEM燃料电池内石墨双极板与炭纸气体扩散层间接触电阻的形成机理。通过建立接触响应的数学模型,得到接触面上接触电阻与压力的关系,并系统分析了相关影响因素。论文取得了如下成果:（1）提出了一种有效的接触电阻回归分析方法。利用拉丁超立方抽样进行实验设计,运用有限元法计算细观接触响应,然后采用多元线性回归分析建立细观接触响应模型并计算出双极板/气体扩散层接触面上压力与接触电阻关系。模型分析结果表明,气体扩散层中炭纤维各向异性的材料属性及其在接触过程中的横向弯曲变形对接触电阻估计值有较大的影响;（2）发展了接触响应解析模型。通过简支梁弯曲理论及Hertz接触理论建立了细观接触模型,运用概率论得到双极板/气体扩散层接触面上接触电阻-压力关系;（3）基于接触电阻的解析模型,进一步对影响接触电阻的相关参数进行全面系统的分析和讨论。通过参数分析对双极板与气体扩散层的实际制备过程提出了指导性建议。本文中所建立的接触电阻模型可进一步推广应用于金属双极板与炭纸气体扩散层间的接触,并对采用炭纤维布作为气体扩散层时接触电阻的估计具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 燃料电池
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池接触电阻
• 1.2.3.1 实验测量
• 1.2.3.2 理论分析
• 1.2.3.3 存在的问题
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 质子交换膜燃料电池接触电阻回归模型
• 2.1 接触电阻理论
• 2.1.1 收缩电阻
• 2.1.2 表面膜电阻
• 2.1.3 多斑点接触电阻模型
• 2.2 接触电阻细观分析
• 2.2.1 双极板
• 2.2.1.1 双极板的性能要求
• 2.2.1.2 双极板的分类
• 2.2.1.3 双极板表面模型
• 2.2.2 气体扩散层
• 2.2.2.1 气体扩散层的功能与制备方法
• 2.2.2.2 气体扩散层的基底材料
• 2.2.2.3 气体扩散层模型
• 2.2.3 细观接触模型
• 2.3 接触电阻回归模型
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 细观接触电阻回归分析
• 2.3.2.1 拉丁超立方抽样（LHS）
• 2.3.2.2 响应面分析
• 2.3.3 石墨双极板/炭纸气体扩散层接触电阻回归模型
• 2.3.3.1 双极板与气体扩散层表面模型
• 2.3.3.2 细观接触的有限元模型与实验设计
• 2.3.3.3 细观接触电阻回归模型
• 2.3.3.4 双极板/气体扩散层界面压力与接触电阻关系
• 2.3.3.5 炭纤维材料属性与弯曲效应的作用
• 2.4 小结
• 第三章 质子交换膜燃料电池接触电阻解析模型
• 3.1 接触电阻的解析模型
• 3.1.1 接触响应简化模型
• 3.1.2 接触响应一般模型
• 3.1.3 自变量概率密度函数
• 3.2 接触电阻的计算
• 3.3 模型结果与讨论
• 3.4 接触电阻解析模型与回归模型比较
• 3.5 小结
• 第四章 质子交换膜燃料电池接触电阻参数分析
• 4.1 概述
• 4.2 双极板参数
• 4.2.1 双极板材料性能参数
• 4.2.2 双极板表面模型参数
• 4.3 气体扩散层参数
• 4.3.1 炭纤维材料性能参数
• 4.3.2 气体扩散层模型参数
• 4.4 细观接触过程参数
• 4.5 小结
• 第五章 全文总结与工作展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录
• A. 细观接触力和接触面积的回归模型分析
• 参考文献
• 致谢