摘 要

燃料电池的出现对于目前社会绿色环保，节能减排目标的实现具有重大意义。但燃料电池目前仍有许多待解决的问题，其中水管理问题是十分重要一环，如果燃料电池内部的水气输送不合理，会造成水淹、膜脱水等现象，进而影响到燃料电池的性能、寿命。本文的主要研究内容为PEMFC（质子交换膜燃料电池）气体扩散层中水气输送过程的模拟仿真，依据格子玻尔兹曼方法，使用反弹边界条件，建立多重松弛时间格子玻尔兹曼模型（MRT-LBM），并通过MATLAB对GDL模型进行改造，重建了气体扩散层的三维结构。之后在实验室的服务器上运算，运用paraview进行后处理，以实现观察不同条件下水气在GDL中运输的速度以及效率的目的，从而检验压差、孔隙材料接触角对水气输送的影响。研究结果表明：模型内外压差的改变会使接触角对于水在GDL中输送状态的影响结果也发生改变。

关键词：格子玻尔兹曼；MRT-LBM;水气输送

Abstract

The emergence of fuel cells is of great significance to the realization of social green environmental protection and energy conservation and emission reduction targets. However, there are still many problems to be solved in fuel cells. The water management problem is very important. If the water vapor transportation inside the fuel cell is unreasonable, it will cause flooding, membrane dehydration, etc., which will affect the performance of the fuel cell. ,life. The main research content of this paper is the simulation of water vapor transport in the gas diffusion layer of PEMFC (proton exchange membrane fuel cell). Based on the lattice Boltzmann method, the multi-relaxation time lattice Boltzmann model is established by using the rebound boundary conditions. MRT-LBM), and the GDL model was modified by MATLAB to reconstruct the three-dimensional structure of the gas diffusion layer. Then, it is calculated on the laboratory server and used paraview for post-processing to observe the speed and efficiency of water vapor transport in GDL under different conditions, so as to verify the influence of pressure difference and pore material contact angle on water vapor transport. The results show that the change of the pressure difference between the inside and the outside of the model will change the effect of the contact angle on the transport state of water in the GDL.

Key Words: Lattice Boltzmann method ;MRT-LBM ;water transport

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 3

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 论文研究内容及意义 1

第2章 燃料电池综述 3

2.1燃料电池基本概念 3

2.2燃料电池的发展 3

2.3 燃料电池的优缺点 3

2.4 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 4

2.4.1 PEMFC的基本介绍 4

2.4.2 PEMFC的基本结构 4

2.4.3 PEMFC基本工作原理 5

2.5 本章小结 6

第3章 格子玻尔兹曼方法 7

3.1 格子Boltzmann方法的基本介绍 7

3.2玻尔兹曼方法的基本结构 8

3.3 玻尔兹曼方程 8

3.4 格子玻尔兹曼方程 9

3.5 多重松弛时间格子玻尔兹曼法（MRT-LBM） 10

3.6 FVM- PSM 12

3.7 边界条件 13

3.7.1周期性边界条件 13

3.7.2 反弹边界条件 14

3.8 格子单元与物理单元之间的转化 15

3.9 本章小结 16

第四章 气体扩散层中水气输送的实验研究 17

4.1 物理GDL模型的简述 17

4.1.1 模型的初步建立 17

4.1.2 对模型的介绍与改造 18

4.2 影响 GDL中水气输送效率的参数 20

4.3 本章小结 21

第5章 实验结果分析 22

5.1 实验现象与思考 22

5.1.1 压差1.7 22

5.1.2 无压差 24

5.1.3 其他情况 26

第6章 总结与展望 29

6.1 全文总结 29

6.2 对相关研究的展望 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

本章对于课题的研究背景以及燃料电池（proton exchange membrance fuelcell ，PEMFC）的发展现状、前景及其结构和原理作了简要的介绍，并对气体扩散层（gas diffusion layer，GDL）的结构以及对气体扩散层内部水气运输的方式做了介绍，最后结合对研究现状的分析，提出了本文的研究方向和内容

1.1研究背景

随着当今社会科学水平的提高，人们对于环境的保护意识越来越强。可持续发展战略也已经成为了我国的一项基本国策。在这样的大环境之下，节能减排与经济发展越来越成为了一组相互矛盾的关系。这种情况下，寻找替代能源，及大力发展燃料电池技术成为了解决矛盾的重要途径。

氢能的高热值相比传统能源——汽油、煤等有较大优势。人类每一次发展的重大时期都伴随着对于依赖能源及动力方式的重大改变。现今对于环境保护的要求也需要我们重视富氢能源的开发以及利用。因为氢能是现今发现的最为清洁的能源之一，燃烧生成水，没有任何其他污染物。它可以满足人们对于保护环境，缓解全球变暖趋势的需求。目前对于氢能的开发利用手段主要可以划分为两种：其一是直接燃烧氢气利用氢气燃烧时释放出的大量热能，可直接利用热能亦可将热能转化为电能使用；其二是通过发电装置直接将氢能转化为电能，其中最重要的应用之一即为燃料电池^[1]。他因为燃料电池目前的制造成本较高，现今美国日本等发达国家都将主要研究方向放在降低燃料电池生产制造以及使用维护成本上。氢气的广泛使用目前还有些受限，首先因为氢气密度较低，不易储存与制备，因此生产和使用过程中的成本较为高昂。其次氢气的主要使用途径之一为燃料电池，燃料电池内部催化剂多为铂等成本较高的材料。目前对应如何降低材料成本并提高电池运行效率和寿命的研究已经受到众多发达国家及发展中国家的重视。这一项技术也在这些年得到了很明显的改善，应用也越来越广泛。

但燃料电池的发展，也仍存在许多亟待解决的问题，如提高其续航能力、耐久性，降低生产以及大批量运用的成本等。对于燃料电池内部的水管理是一个很重要的部分，对于燃料电池的寿命以及使用性能都会产生很大的影响。

1.2 论文研究内容及意义

高效、体积小便携程度高、快速启动是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的独特优点，而且节能环保。近些年已经越来越广泛的应用于新能源汽车以及其他领域。在PEM燃料电池中，两种反应物气体氢和氧，在覆盖着催化层的大约50米厚的膜上结合。膜被大约200米厚的气体扩散层(GDL)包围。在这个装置中，GDL扮演了一个重要的角色，它为气体及电子提供通道、支撑催化层并传导电子，同时将反应生成的水从电池内部排出^[2]。然而，由于PEM燃料电池通常在较低温度下用加湿的反应气体操作，所以可能引起所谓的“泛洪”现象，特别是在阴极侧，水蒸汽凝结并阻塞GDL的孔隙，也导致了燃料电池的性能的降低。因此，研究GDL中的气液传输过程及其性质至关重要，以便找到具有最佳性能的扩散介质。

本文主要对PEMFC气体扩散层（GDL）中的水气运输过程进行了模拟仿真，采用多重松弛时间格子玻尔兹曼法，建立MRT-LBM模型，在GDL原始模型上挖出圆柱，填充接触角或半径不同的球以达到改变圆柱部分内部亲疏水性以及孔隙率的目的，再通过改变压差观察不同条件对于GDL内水传递的影响。

第2章 燃料电池综述

2.1燃料电池基本概念

燃料电池是在催化剂作用下产生电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能的装置。由于燃料电池具有绿色环保，无污染，噪声小，能量密度高等优点，既可以作为便携式电子产品的小型电池，也可以应用于小型集中供电或分散式供电系统，现如今越来越受到世界各国的重视，在不久的将来势必会成为人们生活中不可或缺的一部分。

燃料电池的分类方法多种多样。根据燃料电池内部电解质的不同可以分为5大类：磷酸盐燃料电池（PAFC）；质子交换膜燃料电池（PEMFC）；碱性燃料电池（AFC）；熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）以及固体氧化物燃料电池（SOFC）^[3]。

按照工作温度的不同，燃料电池又可以划分为包括了固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池的高温燃料电池；包括磷酸燃料电池在内的中温燃料电池以及包括了碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池的低温燃料电池^[12]。

每一类燃料电池都具有其独特的优缺点以及不同的适用条件和应用范围。因此对于燃料电池的研究范围很广，生物学、物理学、化学等各个学科的知识都对燃料电池的发展具有重大作用。

2.2燃料电池的发展

随着目前世界各国对于环保的重视，寻找传统燃料的替代能源已经成为当前的一个热点话题。由于燃料电池具有能量转化效率高、绿色环保、噪音小、占用体积较小等优点，这项技术引起了越来越多人的关注。目前世界各国都在大力投入资金以及科研技术人才对燃料电池领域进行深入的研究。我们国家的燃料电池技术最早出现在20世纪50年代，在1970年左右迎来快速发展时期，国家大力发展碱性燃料电池用于航天事业。九十年代随着国外燃料电池技术的快速发展，也推动了国内的燃料电池研究进程^[4]。由于国家政策对与环境保护的大力支持，燃料电池技术如今已经有了长足的进步，但是从总体水平来看，仍与其他发达国家的技术水平有着一定的差距。

2.3 燃料电池的优缺点

燃料电池的工作效率远远高于内燃机，而且由于燃料电池内部没有可移动的部件，即为理想的全固态机械机构，因此燃料电池相较内燃机等其他供能器，具有高可靠性和长寿命。由于没有移动部件，燃料电池噪音小，且对于环境污染物如、以及含碳化合物的排放实际上等于零。而且燃料电池不同于普通电池，功率与容量的关系是相互关联的，燃料电池可以在功率以及容量上随意进行改变；也比普通的电池具有更高的能量密度，而且可以依靠补充电池内燃料实现快速充电，使用的局限性得到了改善。便捷性得到了很大的提升。

燃料电池虽然已经呈现出了许多不可替代的优点，但它也同样存在着一些尚未解决的不足。其中最主要的问题是燃料电池的制造、维护以及使用成本高。由于成本的限制，目前燃料电池的使用只在几个特殊的领域上具有经济竞争力。功率密度则是另外一个比较重要的限制因素，所谓功率密度，就是单位体积或者单位质量的燃料电池所能产生的功率^[5]。虽然近几十年，随着燃料电池技术的发展，燃料电池的功率密度已经有了显著的提高，但如果想在便携式电子领域以及机械、车辆等方面提高竞争力，目前燃料电池的功率密度还需要进行提高。而燃料电池内部在以氢气为燃料时才能够具有最佳的工作性能，氢气并非随处可得，体积能量密度又较低，且不便于储存。这一系列的问题都会影响到燃料电池的性能以及内部结构、生产成本。只有将这些明显的不足克服，从技术上解决这些瓶颈问题，燃料电池的应用才会具有更加美好的前景

2.4 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

2.4.1 PEMFC的基本介绍

质子交换膜燃料电池的燃料为氢气、甲醇等，工作温度较低，一般为50~100℃，发电效率在多种类型的燃料电池中较高，可以达到50%~70%，一般用来作为备用电源或移动电源。质子交换膜燃料电池在清洁反应中将燃料（主要是氢）的化学能转化为电能^[6]。由于工作温度低、效率高，因此适用于便携式应用。以可再生能源生产的氢气为燃料的PEMFC是减少与运输业相关的碳排放的可行解决方案，而运输业是当前环境污染的主要源头。

2.4.2 PEMFC的基本结构

质子交换膜处于阴阳极之间，起到分隔作用。PEMFC单电池的结构包括了质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）、催化剂层（catalyst layer，CL）、气体扩散层以及双极板组成^[7]。其中质子交换膜、催化剂层和扩散层组成一体称为膜电极，膜电极是质子交换膜燃料电池中最重要的一部分。电池分为阴、阳两级，质子交换膜位于阴阳极之间，起到分隔以及提供阳极反应产物氧离子向阴极传输的通道的作用。

PEMFC最常用的催化剂为金属铂。PEMFC需要克服两个主要挑战，然后才能具有足够的竞争力来广泛商业化：成本和耐用性。降低成本环节中最重要的部分是寻找铂催化剂的替代物，但因为铂催化剂在催化剂层中具有较高的电化学活性，目前还没有找到合适的替代元素。

扩散层是PEMFC中重要的部件，它具有几个特定的功能，例如提供反应物气体的传输通道并传导电子，将燃料电池内化学反应生成的水从电池内部排出。它的尺寸通常是几百微米并且内部具有十分丰富的多孔结构。气体扩散层由微孔层与基底层共同组成，微孔层可以改善燃料电池的水管理能力，降低催化层与基底层之间的接触电阻^[9]。扩散层的结构对性能影响很大，必须保证具有内部孔隙结构具有一定疏水性，方便水及时排出，防止水气凝结在孔隙中，产生水淹现象,影响燃料电池的使用寿命及工作效率。但由于质子交换膜中水和离子作为传导质子的介质，气体扩散层仍然需要一定的储存水的能力。因此，研究GDL中的液气输送并研究输送特性是至关重要的，以便找到具有最佳性能的扩散介质^[8][9]。

双极板是组成质子交换膜燃料电池的重要的性能元件之一，它在燃料电池中起到分离氧化剂与还原剂；收集电流；以及为气体反应提供场所的作用。双极板需要具备抗腐蚀，促进反应的化学性质以及良好的机械性能，其中对于刚性，导电性，导热性以及密度有一定的要求，导热性能最好能控制双极板保持在一个相对稳定的高效率状态下。目前使用的主要材料包括塑料碳板、无孔石墨板、复合型双极板等。

2.4.3 PEMFC基本工作原理

质子交换膜燃料电池内部的反应过程可以被看作电解水的逆过程，氢气和氧气之间产生化学反应释放电能，产生水。氢气为还原剂，氧气为氧化剂，反应过程如下：

1. 氢气被输送到阳极。
2. 在催化剂的作用下，氢气被分解为氢离子，放出电子。化学反应式为：
3. 氧气被输送到阴极，与通过质子交换膜到达阴极的氢离子，通过外电路输送到阴极的电子相遇。
4. 氧气与氢离子、电子在催化剂的作用下发生电化学反应，生成水。化学反应式为：

PEMFC内部总反应式为^[10]

如PEMFC工作过程中产生的水不能及时排出，水蒸汽凝结并阻塞GDL的孔隙，会严重影响燃料电池的工作性能，因此对水气输送的过程进行研究并寻找最佳的输送条件，对燃料电池发展具有重要的意义。

图2.1 PEMFC工作原理示意图

2.5 本章小结

在本章中，对燃料电池的基本概念、发展状况以及优缺点进行了较为详细的介绍，之后对于本文的主要研究对象---质子交换膜燃料电池（PEMFC）的基本结构以及工作原理进行了介绍，结合工作过程，进一步阐述了燃料电池内部水排放研究对于燃料电池技术的发展具有重大的意义。

第3章 格子玻尔兹曼方法

传统上，为了阐明GDL中的两相传输现象，已经开发了各种数值模型。最简单的方法是单相模型，其中气体和液体被认为是单流体混合物，因此共享相同的速度场。而且，完全忽略了界面张力效应。在这种情况下，通过求解单个方程而不区分水蒸气和液态水，可以获得总水量。一旦获得总水浓度场，可以允许水浓度超过饱和水平，基本上假设气相已经超饱和。在GDL中，对液态水输送更为严格的方法是将经典的两相模型重新表述为一个单一的方程，并且燃料电池成功运行所必需的界面张力效应和GDL润湿性都是充分的。该模型可以有效地生成大部分GDL特征，但忽略了局部结构细节。另一种方法是体积平均或孔隙水平模型。这些模型假设局部界面平衡，即孔隙水平的电，化学和热平衡。仔细定义了局部界面平衡的有效性条件。严格地说，所有上述模型都是宏观模型，尽管在某些工作中可能存在理论上的不一致性，并且本质上两个流体相之间的任何界面边界都是介观的。因此，人们期望开发一种介观模型来研究双流体流动。

近些年来，作为一种介观模型，格子玻尔兹曼（LB）方法已成为一种很有前途的多相流模拟工具。LB法起源于晶格气体元胞自动机（LGCA）。由于LB方法的动力学来源，它具有一些与宏观模型不同的特点。这些特征包括编程简单、内在并行性和复杂边界和多种流体的直接解析，后两个特征在模拟类GDL结构中的多相流方面非常有吸引力。在这些情况下，流体 - 固体界面通过锯齿形方法近似，以便可以直接应用标准反弹边界条件，这通过模拟非粒子-固体相互作用来逆转流体粒子与实心边界碰撞的动量。然而，用于多相流建模的LB方法大多是基于Bhatnagar–Gross–Krook（BGK）碰撞模型，它们经常遇到数值不稳定性和粘性相关速度场等问题。由于两相流中通常同时存在不同的粘度，因此上述限制对数值模拟的精度至关重要。为了克服这些缺点，开发了多弛豫时间（MRT）lb模型。已经证明，在模拟多相流时，MRTLB模型比BGK模型具有更好的稳定性和准确性。然而，大多数MRT多相模型是基于单组分势模型，该模型通过调节相互作用势来模拟两相流，仅对密度比较小（≤100）的两相流有效。学者们还提出了一个双分布函数MRTLB模型，它克服了以往BGK和MRT模型的大部分局限性，但需要界面张力的隐式处理^[11]。

3.1 格子Boltzmann方法的基本介绍

二十世纪八九十年代为格子玻尔兹曼方法的起始阶段，几个来自不同国家的研究小组依据格子气自动机的原理提出了格子玻尔兹曼方法的基本框架。经历了从将流体视为驻留在一个规则格子上的大量假想粒子的LGA模型，到为了消除统计噪声，由McNamara和Zanetti设计出的LBE模型。经过无数学者对于格子玻尔兹曼方法的研究，对模型的不断简化，最终SRT（单松弛）模型以及BGK模型这两种更为简单的模型得到了应用。从这两种模型的诞生标志着格子玻尔兹曼方法的研究进入了新的阶段^[12。

格子玻尔兹曼方法的应用范围很广，研究者们对于不同的情况都提出了不同的是适应该状况的模型，比如针对包含传热的流动问题，人们建立了单松弛时间、两松弛时间、多松弛时间的单分布函数模型，以及使用速度和温度两类分布函数的双分布函数模型；针对多组分系统和多相流系统，建立了颜色模型、伪势模型、动理学模型等^[12。

3.2玻尔兹曼方法的基本结构

格子Boltzmann方程模型的主要结构由三个要素构成，它们分别是流体粒子的离散速度集合、格子结构以及演化方程。该方程描述了具有离散速度的流体粒子分布函数在一个固定格子上的运动过程

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