基于孔尺度模型的质子交换膜燃料电池气体扩散层传输现象的研究开题报告

1. 本选题研究的目的及意义

质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell，pemfc）作为一种高效、清洁的能源转换装置，在近年来受到广泛关注，并在新能源汽车、便携式电源等领域展现出巨大的应用潜力。

气体扩散层（gasdiffusionlayer，gdl）作为pemfc的关键组件之一，其传输性能对电池的性能和寿命起着至关重要的作用。

gdl的主要功能是为催化层提供反应气体、排出产物水以及传导电子和热量。

2. 本选题国内外研究状况综述

近年来，质子交换膜燃料电池因其高效率、零排放等优点，成为国内外研究的热点。

气体扩散层作为燃料电池的重要组成部分，其传输性能对电池的整体性能有着至关重要的影响。

因此，国内外学者对气体扩散层的结构优化、水热管理以及数值模拟等方面开展了大量的研究工作。

3. 本选题研究的主要内容及写作提纲

主要内容：
1.pemfc气体扩散层传输现象概述：介绍pemfc的基本原理、gdl的组成和作用、gdl内部的传输过程以及影响gdl传输性能的因素。

2.孔尺度模型的建立与验证：介绍孔尺度模型的基本原理、分类和应用，详细阐述本研究采用的孔尺度模型的建立方法，包括gdl三维结构的构建、网格划分以及模型的求解方法，并通过实验对所建立的模型进行验证。

3.基于孔尺度模型的气体传输研究：利用建立的孔尺度模型对gdl内部的气体传输过程进行数值模拟，分析不同操作条件（如温度、压力、湿度等）对气体扩散的影响，研究gdl孔隙结构参数（如孔隙率、孔径分布、曲折度等）对气体扩散系数的影响规律。

4. 研究的方法与步骤

本研究将采用数值模拟和实验验证相结合的方法，具体步骤如下：
1.文献调研：查阅国内外相关文献，了解pemfc气体扩散层的研究现状、孔尺度模型的发展历程以及数值模拟方法的应用情况，为本研究提供理论基础和技术参考。

2.孔尺度模型的建立：利用计算机辅助设计软件（如comsol、fluent等）建立gdl的三维结构模型，并进行网格划分，为后续的数值模拟提供基础。

3.数值模拟：基于所建立的孔尺度模型，利用计算流体力学（cfd）软件对gdl内部的气体传输、液体水传输以及热传递过程进行数值模拟，分析不同操作条件和结构参数对gdl传输性能的影响。

5. 研究的创新点

本研究的创新点主要体现在以下几个方面：
1.基于真实gdl微观结构的孔尺度模型构建：采用先进的成像技术（如x射线断层扫描、聚焦离子束扫描电镜等）获取gdl的真实微观结构信息，并以此为基础构建更贴近实际情况的孔尺度模型，提高模拟结果的准确性。

2.多物理场耦合的孔尺度模型：将气体传输、液体水传输和热传递过程耦合到孔尺度模型中，实现对gdl内部多物理场耦合传输现象的模拟，更全面地反映gdl内部的真实情况。

3.gdl结构参数对传输性能影响的定量化研究：通过数值模拟，定量化研究gdl孔隙结构参数（如孔隙率、孔径分布、曲折度等）对气体扩散系数、毛细压力、渗透率、有效热导率等传输特性的影响规律，为gdl的优化设计提供更精准的理论依据。

6. 计划与进度安排

第一阶段 （2024.12~2024.1）确认选题，了解毕业论文的相关步骤。

第二阶段（2024.1~2024.2）查询阅读相关文献，列出提纲

第三阶段（2024.2~2024.3）查询资料，学习相关论文

7. 参考文献（20个中文5个英文）

1. 王振,潘牧.燃料电池气体扩散层研究进展[j].电源技术,2020,44(07):1221-1227.

2. 邓宇君,衣宝廉.质子交换膜燃料电池气体扩散层结构优化研究进展[j].电源技术,2020,44(12):2271-2276 2284.

3. 朱建华,马贺伟,张雨,等.燃料电池气体扩散层孔结构对电池性能的影响[j].电池工业,2020,24(06):303-307 311.