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质子交换膜燃料电池气体扩散层微结构与传输现象研究
| 论文题名： | 质子交换膜燃料电池气体扩散层微结构与传输现象研究 |
| 关键词： | 新能源汽车;质子交换膜燃料电池;气体扩散层;微结构;传输现象 |
| 摘要： | 质子交换膜燃料电池（PEMFC）因相比其他动力装置具有高效率、零排放、低污染、低噪声、快补给、长续航等优点，被普遍认为是最具前景的新能源汽车动力装置。然而，要想实现PEMFC新能源汽车的大规模商业化，亟需解决其核心零部件的成本与性能问题，以早日实现关键核心部件的国产化。气体扩散层（GDL）作为PEMFC关键部件，承担着为电化学反应输送反应物和向外排出反应物的功能，在PEMFC性能上起到至关重要的作用。由于GDL微结构与传输过程的复杂性，其相关研究具有一定挑战。研究选题依托国家重点研发项目，“新能源汽车”重点专项，致力于为GDL微结构与传输过程提供更准确、更实用、更方便的研究理论和方法，以期能为降低GDL研发和制备成本，早日实现GDL全面国产化和PEMFC新能源汽车的商业化做出应有贡献。 本研究以模拟仿真为主要方法，结合实验表征手段，对GDL微结构及其传输现象进行了研究。本文提出了一种更加准确的GDL随机重构法，探究不同GDL微结构对传输性能的影响。通过扫描电镜和X射线断层扫描等表征方法获取GDL微观结构特征，明确其重要组分粘结剂的形状更像盘状或网状的薄片，而非文献中所报道的球状体。新的GDL重构法在原本纯纤维重构理论上，充分考虑了GDL孔隙率分布不均匀与碳纤维布置方向不均的问题，并应用合理形态学图像处理方法在碳纤维中添加粘结剂和聚四氟乙烯（PTFE），结合孔尺度模型（PSM），计算其有效传输特性。结果表明，这样的模拟方法所得到GDL性能与文献中报道的实验结果吻合程度更高。 本研究同时提出了燃料电池一种多尺度仿真模拟工具，通过结合GDL微观结构、模型介观传输和PEMFC宏观性能，研究了如何从GDL微结构设计到提升PEMFC宏观性能的方法。这部分的研究主要分两步：1）运用有效的随机重构法研究了机械压缩对GDL微结构及传输过程的影响，分析这种压缩如何影响到PEMFC的电化学反应及其性能；2）通过改变GDL微结构，研究其对PEMFC性能的影响，提出一种能够有效提升PEMFC性能的方法。结果表明，压缩对GDL传热传质性能的影响同时引起PEMFC内局部电流的改变。并且，在改变纤维角度获得具有高导热率的GDL后，发现PEMFC性能大幅提升。这为GDL优化设计和PEMFC性能提升提供可行的方向，即提升GDL的导热性能。 |
| 作者： | 朱礼军 |
| 专业： | 动力机械及工程 |
| 导师： | 隋邦傑 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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