摘 要

本文通过建立气体扩散层的孔尺度模型来对其传输现象进行研究，其中包括水汽运输、氧气运输、电子传递以及热量传递，通过一系列计算得到对应的有效水汽扩散系数、有效氧气扩散系数、有效导电系数、有效传热系数。在此之上，将研究方向从一个方向拓展到模型的三个方向，以此研究各组分的有效扩散系数在各向异性上的表现。最后，将所有计算结果汇总分析，分析造成此现象背后的原因。

首先通过随机重构技术构造出气体扩散层在孔尺度上的模型，然后输入控制方程，给出模型需要的边界条件，交由服务器去计算，得出四项有效扩散系数，做成图表进行分析。回到建立的模型中，通过压缩手段对模型进行压缩，得到两个不同的压缩比（本次毕设中采用的是10%与20%压缩的模型），然后重复上述过程，分别得到对应的有效扩散系数，画出图表进行分析。最后总结造成的原因。

关键词：质子交换膜燃料电池；气体扩散层；有效扩散系数；孔尺度模型

Abstract

In this paper, the pore scale model of the gas diffusion layer is used to study its transport phenomena, including water vapor transport, oxygen transport, electron transport and heat transfer. The corresponding effective water vapor diffusion coefficient, effective oxygen diffusion coefficient, and effective heat transfer coefficient are obtained through a series of calculations. Furthermore, the research direction is extended from one direction to three directions of the model to study the anisotropic performance of the effective diffusion coefficients of each component. Finally, a summary of all calculations is analyzed to analyze the reasons behind this phenomenon.

Firstly, the model of the gas diffusion layer on the pore scale is constructed by random reconstruction technique, then input the governing equation, also, the boundary conditions required by the model are given, which are then calculated by the server to obtain four effective diffusion coefficients. After that, make a chart for analysis. Secondly, go back to the established model, compress the model to obtain another two different compression ratios (10% and 20% compression models are used in this setup), then repeat the same process to obtain the corresponding Effective diffusion coefficient, and then draw a chart for analysis. Finally summarize the reasons.

Key Words: Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC); Gas Diffusion Layer (GDL); Effective Diffusion Coefficients; Pore Scale Model (PSM)

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 燃料电池 1

1.2.1 燃料电池的定义 1

1.2.2 与其他能量源的比较 2

1.2.3 燃料电池的原理 2

1.2.4 燃料电池的特点 2

1.2.5 燃料电池种类 3

1.2.6 质子交换膜燃料电池组成与介绍 4

1.3 研究现状 6

1.4 技术方案 7

1.5 本章小结 7

第2章 建模方法的比较 8

2.1 随机重构 8

2.2 CT扫描 9

2.3 本章小结 11

第3章 数值计算原理 12

3.1 模型重构 12

3.2 模型压缩 13

3.3 控制方程 13

3.4 边界条件 14

3.5 本章小结 16

第4章 结果与分析 17

4.1 模型的运行方法 17

4.2 计算结果与分析 17

4.2.1 结构 17

4.2.2 四个组分的分布 18

4.2.3 各组分有效扩散系数的结果 19

4.2.4 各组分的的有效扩散系数在各向异性上的表现 24

4.3 本章小结 28

第5章 总结 29

5.1 内容与结论 29

5.2 不足之处 29

5.3 展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 引言

随着人类科学技术的发展与应用，传统的以化石燃料为主的庞大能源系统受到严重挑战，世界各国都在致力寻找开发更加高效、清洁、经济、安全的新能源。经过多年的探索与研究，人们发现了一种新的能源结构，即太阳能——水能——氢能。科学家们相信，太阳能将作为一种主要的一次能源，从而替代目前的煤、石油、天然气，而氢能有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源，而燃料电池就是氢能作为燃料的一种突出应用。

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池（PEMFC）最为核心的部件之一，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。因此，气体扩散层相关内容的研究也是现如今燃料电池领域的重要课题之一。气体扩散层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。它传输反应气体、排走多余液态水，它的材料结构对燃料电池水管理的影响尤其重要。因此，在改进扩散层结构这方面的研究受到了广泛关注。目前，气体扩散层梯度化的模拟研究还无法从孔隙微观结构分析其作用机制，只是限于宏观方法，而且，对梯度扩散层的两相传输性能的研究也较少。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质模型也被广泛应用于扩散层内两相传输性能的研究^[1]。

孔尺度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，其本质上是基于C 的一种运用数值计算方法的模型，通过控制边界条件来限定范围。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。

1.2 燃料电池

1.2.1 燃料电池的定义

燃料电池是现如今众多化学电源中的一种，或者更准确地说，燃料电池是以氢为主要燃料，通过电化学反应把燃料中的化学能直接转换为电能的一种发电装置，效率高、低污染、低噪声、用途与燃料来源均很广泛是其优势。

1.2.2 与其他能量源的比较

与普通电池不同的是，燃料电池本身是不具备也不储存活性物质的，只是一个催化转换元件。因此，燃料电池本质上是名副其实的能量转换装置，并不是能量储存器，燃料和氧化剂都必须从燃料电池的外部进行供给，此外，从工作方式来看，燃料电池和内燃机发电机组是比较接近的，但是热机的能量转换方式比较复杂，而燃料电池则通过简单的电化学反应将化学能直接高效的转换为电能。

1.2.3 燃料电池的原理

从原理上来说，或是从化学反应方程式上来看，燃料电池都是氢燃料被消耗或“燃烧”：

2H₂ O₂→2H₂O

电极是提供电子转移的场所，在阳极上表现为催化燃料，在阴极上表现为催化氧化剂，导电粒子在电解质内迁移，电子作用是流过外电路做功并构成回路。电极上的化学反应方程如下：

阳极：H₂→2H 2e^-

阴极：O₂ 2H =2e^-→H₂O

但是一节燃料电池运行时，只能提供0.6~0.8V的电压，这意味着，要产生足够的电压，就需要把足够多的电池串联起来，组成一个电池组，同时，要让一系列的分系统共同工作，包括提供燃料的系统，提供氧化剂的系统，管理水和热的系统，输出电流升压、稳压系统等等。除此之外，如果需要把燃料电池的直流电转变为交流电，还需要配备逆变系统。

1.2.4 燃料电池的特点

1）效率高

按照电化学的原理，燃料电池直接将电化学能转换为电能，而不像热机那样，受到卡诺循环的限制，需要进行多次能量转换。现有的燃料电池效率一般在45%~65%左右,而传统汽油机的效率只能达到30%，柴油机在40%左右。这之间的效率差达到了20%，燃料电池效率高的特点此时就很明显了。

2）噪声低

传统的发电技术主要包括火力、水力、核能发电等方式，其主要发电装置是大型涡轮机，而涡轮机结构布局非常复杂庞大，在旋转过程中会产生非常大的噪音。与此相反，燃料电池的结构就简单得多，没有旋转的机件，理论上可以“零噪声”运行，但是由于外围设备如泵类以及冷风机的存在，仍会产生一些噪声，但相比于涡轮机其噪声已经是非常小。

3) 占地面积小、建造时间短

由于燃料电池厂所需的附属设备很少，不像常规火力发电厂那样必须要复杂的涡轮、汽轮发电机等庞大的成套设备，消耗的水量也很少，这使得工厂占地面积和建设所需的工程量大大减少，再加上燃料电池的组装方便，工厂建设周期短、扩建也容易，完全可以根据需要分期筹建，使得燃料电池工厂在成本以及面积上均占有优势。

4) 污染小

燃料电池以氢气为主要燃料，生成产物为水，不会产生会导致温室效应的气体二氧化碳，而其他热机都以化石燃料为主，一定会产生二氧化碳，或者有些还会产生烟尘，污染大气。相比之下，燃料电池在污染方面确实更胜一筹。

5) 所用燃料广泛

由于化石燃料属于不可再生能源，用完一点就少一点，而核能由于安全性的原因备受质疑，而氢能只要是含有氢原子的物质，都可以作为燃料使用。因此，燃料电池非常符合当今能源多元化的倡导，这样还可以减少主流能源如煤、石油、天然气的消耗。

6) 用途广泛

燃料电池的发电量完全由单体电池的数量与功率所决定，由于单体效率高，所以多组一起使用时也无需担心其功率下降很多，可根据目标情况决定使用的单体电池数量，不用担心功率浪费，因此可应用于小型产品如手机电池，或者大型产品如车辆电池等。

1.2.5 燃料电池种类

燃料电池因其种类多，所以分类方式也多样，常见的是按照电解质性质的不同而加以分类，大致有碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell , AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell , MCFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell , PEMFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell , PAFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell , SOFC）;或者按照工作温度分类，分为低温，中温，高温燃料电池。其中低温型燃料电池包括碱性燃料电池与质子交换膜燃料电池，磷酸燃料电池为中温型燃料电池，而熔融碳酸盐燃料电池与固体氧化物燃料电池划归为高温燃料电池。

1.2.6 质子交换膜燃料电池组成与介绍

质子交换膜燃料电池是现在广为流行的一种燃料电池。本文的气体扩散层在孔尺度模型上的研究也是基于质子交换膜燃料电池进行的。

和其他电池一样，质子交换膜燃料电池也能通过连接的方式组成电池组。基本结构也是阴极、阳极与电解质层。从里到外依次细分为：质子交换膜（PEM）、阴、阳极侧的催化层（CL）、阴、阳极侧的扩散层（GDL）、双极板（BPP）。

1) 质子交换膜（PEM）

如其名字所示，整个质子交换膜燃料电池以其为核心，它与其他一般的化学电源里面的隔膜不同，除了起到隔膜的作用外，还能够提供质子通道，隔离两极的燃料气体与氧化剂气体。为此，用于质子交换膜的材料应满足以下条件：良好的离子导电性、材料的聚合度高、气体在膜中的渗透性尽可能小、膜的脱水可逆性好、在氧化还原与水解环境中具有稳定性、有足够高的机械强度。

2) 催化层（CL）

质子交换膜燃料电池的阴极与阳极反应均需通过催化剂降低反应的活化能来催化电化学反应。早期的质子交换膜燃料电池使用镍、钯等金属作为催化剂，但现在通用的是使用铂作为催化剂。催化剂是将铂装载于某个细小的支持体上，再经过压制而成。阳极上的氢气在铂表面上会依次完成吸附、解离、脱离这三个步骤。氧气在阳极上的反应较为复杂，会根据不同的电极材料与不同的反应条件出现不同的反应机制与步骤。但是催化剂设计的目的还是让活性物质与催化剂充分接触。

3) 气体扩散层（GDL）

基底层和微孔层是气体扩散层的通常组成部分。碳纸或碳布是基底层通常使用的材料，它的结构通常是多孔的，作用是支撑气体扩散层的微孔层和催化层。微孔层通常是一层碳粉层，目的是改善基底层的孔隙结构，其作用是降低催化层和基底层之间的接触电阻，将这两层间的气体和水进行再分配，防止电极催化层发生“水淹”这种不良状况，同时防止催化层在制备过程中渗漏到基底层。充当气体扩散通道的孔道，是经过憎水处理的，具有憎水性，而亲水性的孔道充当产物水的传递通道，这种孔道是未经憎水处理的。由于作为扩散层的碳纸或碳布以及微孔层的碳粉都具有良好的导电性，传导电子的任务可以很好地被完成。

4) 膜电极组（MEA）

膜电极组是由阳极、质子交换膜、阴极三层形如三明治式的夹叠而成。这也称为三层膜电极组，加上两层气体扩散层则称为五层膜电极组，如果再加上外面两层双极板则称为七层膜电极组。

5）双极板（BPP）

膜电极组的双极板的一侧是用来连接前面一节燃料电池的阴极或阳极，另一侧用来连接后面一节燃料电池的阳极或阴极，因此得名双极板。双极板的作用是形成气室，分隔反应气体，此外，双极板还能通过流场将反应气体导入燃料电池、收集并传导电流和支撑膜电极。此外，燃料电池系统的散热和排水功能也是通过双极板实现的。现今双极板主要有三种：石墨双极板、金属双极板以及复合双极板。

石墨双极板是目前采用较多的材料，其成型方法是将碳粉或者石墨粉与可石墨化树脂均匀混合，加压成型然后在高温还原气氛或者真空条件下进行石墨化。其优点是耐腐蚀性强，导热导电性能好，缺点是强度低，脆性大，不易加工成超薄双极板。而且现今大多数的石墨双极板的厚度都在0.8mm以上，其体积比功率和质量比功率较低。

金属双极板的特点主要有导电、导热性能好，并且由于金属本身的结构原因，还具有密度大，不透气，可加工性能好的优点。且使用金属材料易于批量生产，并且流场的加工也可以采用机械加工或者冲压的方法。但是缺点也有，如单位密度高，易被腐蚀等。尤其是质子交换膜燃料电池会在酸性条件下工作，如果涉及不合理，金属就会被溶解或被腐蚀。一旦被腐蚀溶解产生金属离子，极易通过扩散方式扩散到质子交换膜，这会增加双极板的电阻，降低电池的输出功率。但由于金属双极板在相同质量下需要的厚度很薄，可以达到降低电堆体积的目的，从而提高电堆的体积功率密度，在车载燃料电池中有很广泛的应用。

复合双极板的设计初衷是避免金属双极板和石墨双极板的缺点，其把金属作为双极板内部的分隔板，石墨作为外面的流场板。主要有以下三类：电导率、热导率高、质量轻、耐高温、强度较高、高度耐腐蚀和耐化学性、堆膜电极组无污染的碳/碳复合双极板；具有与石墨相近的耐腐蚀性能、能够商业化进行大批量生产的聚合物/填料复合双极板以及耐腐蚀性较好、质量较轻、强度高但是结构复杂的金属基复合双极板。

6）流场

双极板中的流场是用来引导反应气体的流动方向，确保电极各处都能均匀地被分配到反应气体，流场种类很多，有点状流场、网状流场、多通道流场、蛇形流场、交错型流场、不连续流场、螺旋流场、平行流场、平行蛇形流场和平行沟槽流场等等。

图1-1 典型的质子交换膜燃料电池结构与原理

1.3 研究现状

自从人类在1838年发现燃料电池原理后，在百余年的时间里，燃料电池的技术一直在革新，1839年，世界上首台燃料电池诞生，但由于同时代的化石燃料大规模开发，使得燃料电池的发展停滞不前，直到20世纪60年代，NASA出于航天任务的需要，征求适合作为载人太空船的动力源，燃料电池重新进入人们的眼帘，在NASA的资助下，通用公司成功制造出“Grubb-Niedrach”燃料电池，并顺利应用到1962年的双子星太空任务。在20世纪70年代发生的石油危机之后，燃料电池再度进入人们的视线。在1972年，杜邦公司成功研发燃料电池专用的高分子电解质隔膜Nafion。20年之后，加拿大的巴拉德动力系统公司推出了全世界第一辆以质子交换膜燃料电池为动力的电动汽车。这标志着燃料电池技术正式开始民用化。而在21世纪的今天，全世界各地已经有许多地方安装了燃料电池进行并联供电或示范运行，而主要的汽车制造商也开始开发出各种燃料电池车辆，并进行测试，并将它们运用在公共交通系统上。在2014年，丰田公司推出了Mirai燃料电池汽车，标志着世界上第一款家用燃料电池汽车正式投产。

气体扩散层的材料大多是碳纸或者碳布，而燃料电池生产商多采用日本Toray、加拿大Ballard、德国SGL等国际大生产商的碳纸产品。Toray目前占据较大的市场份额，且拥有的碳纸相关的专利较多，生产的碳纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、表面平滑等优点；但Toray碳纸由于其脆性大而不能连续生产导致其难以实现规模化生产，极大地限制了供应量的增长。中南大学提出了化学气相沉积（CVD）热解碳改性碳纸的新技术。根据燃料电池服役环境中碳纸的受力变形机制，发明了与变形机制高度适应的异型结构碳纸，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相结合的连续化生产工艺，其产品的耐久性和稳定性有所提升。目前来看，碳纸是燃料电池关键材料中最容易做到成本下降的部分。

1.4 技术方案

1．通过查阅有关燃料电池的文献资料，了解并掌握燃料电池的结构和原理及PSM对燃料电池性能的影响；

2．通过查阅相关文献资料，了解国内外相关研究现状及利用PSM建立燃料电池气体扩散层模型；

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