一、燃料电池中质子交换膜干涸的热物理机制（论文文献综述）
刘守一[1]（2021）在《质子交换膜燃料电池阴极气体扩散层制备机理及实验研究》文中研究表明质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有非常多的优点,包括清洁无污染、能量转换效率高、合适运行温度以及可靠性高等特点,因此被用作为能量转换装置,并且取得了快速发展。但是目前PEMFC也面临着较多的问题,其技术瓶颈也尤为突出。电池高电流密度工作时阴极侧产水较多,导致排水不及时易水淹,因此性能快速下降。而位于催化剂层（CL）和气体扩散背衬层（GDBL）之间的微孔层（MPL）对PEMFC的水管理和气体传输起着决定性的作用。因此,本论文针对燃料电池面临的技术瓶颈,从MPL的材料和结构入手,制备出性能优异的阴极气体扩散层（GDL）来降低PEMFC的制造成本,加快商业化进程。其主要研究内容和结果如下:（1）本论文中选取无毒、低成本的无水乙醇为溶剂,普遍使用的聚四氟乙烯作为疏水剂,以及低成本易得的乙炔黑和Vulcan XC-72作为导电炭黑,制备具有孔径梯度的分级MPL式GDL。通过对物理性能和电化学性能的测试分析,研究了分级MPL和商业MPL之间的差别,以及它们各自对燃料电池性能和水管理的影响。实验结果表明,喷涂制备的GDL不仅具有良好的疏水性,而且还具有较低的电阻率。和商业GDL相比,当湿度为60%时,最大功率密度增加了25%,湿度为100%时,最大功率密度增加了12%。（2）研究并优化了分级式GDL的制备工艺。并不是所有分级MPL都能产生积极效果,炭黑浆料的喷涂顺序通过影响分级MPL合理的孔径梯度严重制约电池的性能。通过优化制备工艺,GDL先喷涂一层乙炔黑,再喷涂一层Vulcan XC-72,在高电流密度下具有更好的燃料电池性能。（3）系统研究了分级MPL式GDL的厚度和疏水性能,并在60%加湿和100%加湿的条件下测试了电池的性能。实验结果表明MPL厚度的调节增加了GDL 0.5-7μm和20-100μm孔隙的数量,这更有利于排水。因此,厚度的调节更有利于高湿度下的电池性能。而梯度疏水设计使得改性中间层的MPL具有一定的保水能力而对反应气进行加湿,这在低湿度下效果更好。（4）通过乙炔黑和Vulcan XC-72的复合对GDL的孔径进行了优化。实验结果表明复合碳粉制备的MPL结合了两种碳粉的优点,具有更加合理的孔结构。此外,通过调整复合碳粉的配比对GDL的孔径分布做了进一步的优化。特别的,具有70wt.%乙炔黑和30wt.%Vulcan XC-72的GDL表现出了最佳的性能。与商业GDL相比,本文对GDL结构和材料组成的优化对于提高电池性能,以及改善水管理具有明显的优势,为GDL的发展以及解决燃料电池的技术瓶颈提供了新的思路和方法。
张馨予[2]（2016）在《质子交换膜燃料电池多物理场数值模拟研究》文中进行了进一步梳理质子交换膜燃料电池具备的能量转换效率高、对环境友好的特点,这一新型能源已经被认为是未来社会不可缺少的资源之一。质子交换膜燃料电池独有的结构特性和大量的热能释放可作为发电厂和热电厂能量,这使其成为人们研究的必然热点。为了解决燃料电池在伴随电化学反应的过程中产生的热量等问题,本文在电池热管理方面进行深入的研究。首要的是分析出热能的产生和燃料电池内部温度的影响因素。温度是质子交换膜燃料电池热管理研究的重要参数,过低的温度会导致电池的性能下降,而高温则会影响燃料电池膜失水而破坏电池结构,电池也将无法正常运行。本文采用软件COMSOL Multiphysics对燃料电池进行模拟,建立二维、三维管理系统及传热元件传热计算模块,分别对数学和物理模型进行描述,通过质子交换膜燃料电池气-液-固耦合传热机理,涉及到的流动、传热与化学反应工程仿真,结合质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程,揭示燃料电池内温度场分布形态的本质特性、空冷型电池的温度变化和冷却液冷却燃料电池内部冷却通道流动状态及与温度的影响因素。PEMFC研究的具体结果如下:（1）在二维质子交换膜模型进行温度场数值模拟研究,分析温度变化的有关参数,从而提高质子交换膜燃料电池使用效率。由于燃料电池的氢离子透过膜到达阴极与氧气发生氧化反应,这时就会有大量的热量产生,这样就使得阴极处的温度要高于阳极处的温度。同时改变工作电压、电池孔隙率、交换电流密度参数的范围,均能有效的提高质子交换膜燃料电池的工作性能,使得质子交换膜燃料电池高效利用。（2）空冷型冷却的方式对维持电池的温度有显着的作用。在自然冷却时,建立三维数值模拟模型,通过控制因素的变化使电池保持在最佳工作温度范围内。而自然冷却的温度控制、电池外部传热的能力都具有良好的动态特性,有效地解决了自然冷却PEMFC电池的温度控制问题。在利用强制对流冷却时,采取电、化、热能耦合,控制风速、风温的变化对燃料电池内部的温度有着不同的作用结果。合理的改变参数值,使得电池在最佳的工作温度范围内,达到高效运行的目的。（3）本文首次采用多物理场软件建立微小型质子交换膜燃料电池的物理、数学模型耦合,分析出了质子交换膜燃料电池冷却液散热时冷却液温度、流速、流动方向对电池温度的特性影响。建立微小通道模冷却水的流动过程,对内部流场进行仿真,采取有限元法进行数值模拟,得出质子交换膜燃料电池的热模拟和热管理对电池的性能优化和耐久性的提高具有重要意义。
赵福旺,刘赵淼,申峰[3]（2015）在《基于燃料电池的冷却板设计与优化》文中认为燃料电池作为一种高效、绿色的新能源动力,对工作环境温度特别敏感,因此需要一种高效可靠的冷却板保证燃料电池正常工作。本文首先利用三维制图软件构建燃料电池冷板的三种不同冷却板模型,并进行网格划分,然后通过FLUENT软件对冷却板模型进行分析,最后对数据结果进行分析,并得到换热性能较好的冷板结构,从而为后续燃料电池的研发提供理论依据。
詹志刚,王谌,裴后昌[4]（2009）在《PEMFC传输现象三维模拟》文中研究表明质子交换膜燃料电池中的传热、传质及电化学过程决定着电池的性能,各因素相互影响,传输现象十分复杂。本文基于质量守恒、动量守恒、能量守恒以及Bulter-Volmer等方程,考虑水的相变,对一个5流道3维结构的电池内的传输现象进行模拟,分析了其中传热、传质及电子（质子）传输现象,并对其中的影响因素进行了关联分析;模拟得到的电池性能和实验数据对比,吻合良好。结论对于理解电池内的传输机理、优化电池设计具有指导意义。
余江洪[5]（2006）在《质子交换膜燃料电池堆的热模拟及优化》文中提出质子交换膜燃料电池作为一种新型的能源处理方式，具有工作温度低、无污染、无腐蚀、比功率大、启动迅速等优点，已经成为能源领域研究的热点之一。但由于质子交换膜燃料电池内部约有40％～50％的能量耗散为热能，致使电池温度上升，电解质膜脱水、收缩甚至破裂。因此，电池的冷却对电堆的性能和长期稳定工作，有着重要影响。 本文主要使用计算机模拟的方法来分析燃料电池冷却的问题，使用了计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行模拟计算。首先介绍了燃料电池的结构及工作原理，描述了燃料电池及堆热模拟相关的数学模型。然后详细说明了Fluent PEM模块中的物理模型和数学模型。测试并分析了高性能计算机集群和Fluent PEM模块的并行效率和加速比，指出Fluent PEM模块的并行效率和加速比比HPCC低的原因是由于Fluent PEM模块并行计算时各个节点之间的通讯量过大。 探讨了电池内冷却流道的位置对膜中温度分布的影响，结果表明冷却流道在槽下时比在岸下时的冷却效果要好些，但相差不大。冷却水顺流时膜中温差比逆流是要小。在采用不同的双极板和成型工艺时，可以不专门考虑冷却流道的位置问题。然后模拟计算了冷却水流速和冷却流道截面尺寸对长为300mm的单电池的冷却效果的影响。从计算模拟的结果可以看出，冷却效果随流速增加而增大，但随着流速的增加，冷却水吸热量增加量逐渐变小；冷却水进出口温差随进口温度的增加而减少，随与壁面的接触面积增加而增加；在冷却水流速在0.25～6m／s之间时，冷却水的流速对膜中温度分布的影响很小；此种电池流场设计膜中温差很小，只有约4K左右。 最后计算分析了一个60kW的电堆的热平衡问题，并通过模拟计算验证了计算结果。同时表明冷却水进口温度343.15K时电池性能比冷却水进口温度333.15K时电池性能要好，并且冷却效果能满足要求。同时确定了冷却流道的数量和形状及分布。
朱蓉文[6]（2006）在《质子交换膜燃料电池中温度分布的模拟》文中指出质子交换膜燃料电池（PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell）能量转换效率高,环境友好,可室温快速启动,已成为燃料电池研究中的主流。PEMFC内温度分布对于水管理,传热传质都有着重要影响,这方面的研究也越来越受到重视。本文主要使用计算机模拟的方法来分析电池内温度分布规律,使用了计算流体力学软件Fluent中的燃料电池模块进行模拟计算。 首先分析了PEMFC的热源,指出电池内热量一部分是由电化学反应直接或间接产生,另一部分与电化学反应无关由气体加湿或冷却水带走。阐述了模拟工作中用到的相关数学模型。分析了目前直接测量电池温度分布的实验方法,将模拟结果与实验结果进行了对比,验证了模拟的有效性。 探讨了不同的操作条件和电池参数对电池内温度分布的影响,结果表明气体的相对湿度越高,膜的温差越大,膜上最高温度的位置随加湿程度的变化而变化,加湿程度高时最高温位置靠近进口,加湿程度低时最高温位置靠近出口;过高的气体压力会在电池局部产生很高的温度;阳极气体过量系数对温度分布的影响因素大于阴极气体过量系数的影响;扩散层导热系数对电池内温度分布的影响是巨大的,导热系数为0.3 W/（m·K）时,温差多达20K,而导热系数为19W/（m·K）时,电池内温度为恒温的。 探讨了冷却介质的加入对电池内温度分布的影响,结果表明简单直型冷却槽的冷却效果不太好;低电流密度下不加冷却水比加冷却水效果好;高电流密度下,加入与反应气体同向的冷却水效果好;冷却水的流速和温度的改变对冷却效果的影响比较小。
华周发[7]（2006）在《质子交换膜燃料电池反极现象研究》文中提出论文采用交流阻抗法模拟电池反极机理,并首次采用串联蓄电池法利用单电池测试系统模拟电堆中某单池反极的现象,得到了质子交换膜燃料电池电堆水淹电极引起反极以及气体化学计量比不足时引起反极时对燃料电池电催化剂的伤害和影响,实验得出,由于电化学过程占主要影响因素,反极后开路电压没有变化,反极对质子交换膜的降解几乎可以忽略,但是对电催化剂的性能有致命伤害。 论文通过分析质子交换膜燃料电池传导机理和反极机理,依据电堆模型,首次通过模拟电路设计研究分析水淹电极和气体不足这两种典型的反极现象。通过新型流场设计,对防范水淹电极作了深入研究,比较了液态水存在的量对燃料电池发电性能及电化学性能进行研究,进一步证明了液态水对燃料电池极限电流的影响。通过对反极后催化剂和CCM的测试分析,进一步发现反极对质子交换膜的伤害极其微弱,但是电催化剂的粒径显着增大,催化活性面积减少。该研究对深入理解燃料电池机理和电催化剂的失效防护有重要启发。研究同时发现: （1） 由于阴极液态水的存在引起局部反极,对燃料电池性能存在负面影响。尤其表现在大电流时,生成液态水越来越多,同时需要扩散的反应气体的量却越来越大在气相和电解质界面,阴极液态水存在增大了氧气传质阻力,由于氧气在水中溶解度极小,故液态水存在严重组胺反映气体传质,降低燃料电池的电化学性能;水淹电极主要发生在阴极侧,对电池阳极影响较小。而且反极后排掉液态水后电池性能无太大变化,甚至在短时间内性能有所上升,即此时对电催化剂影响较小。 （2） 燃料电池流场设计可以在某种程度上减少或者避免水淹电极的发生,综合叙述了流场设计应该注意的原则以及现有的设计优缺点,提出一种新型的流场设计。经实验和模拟分析,对排除流场中液态水有独特效果。 （3） 气体不足引起反极是燃料电池研究者需要极力避免发生的,因为在燃料或者氧化剂不足时,对电催化剂将造成永久的不可恢复的伤害,由SEM,
詹志刚[8]（2006）在《质子交换膜燃料电池中水传输机理研究》文中研究表明本文首先分析质子交换膜燃料电池催化层三相通道微观结构及其间发生的电化学反应，研究水在催化层、扩散亚层、扩散层等多孔介质结构部件的生成、输运、相变条件，考虑了材料疏水性、亲水性及微孔尺寸对水蒸汽饱和压力的影响。认为电化学反应生成的水开始应该是气态，在传输中可能成为液态。材料亲、疏水性和孔径对饱和蒸汽压力有巨大的影响，据此提出了相变模型。 随后根据多孔介质的UFT（Unsaturated Flow Theory）模型，导出了一维的梯度扩散层液态水相饱和度分布方程、液态水流量方程、液态水残留量方程、气体扩散因子方程。以此为基础，计算了不同孔隙结构的扩散层的相饱和度分布、液态水残留量、液态水排量和有效气体扩散因子，得到了一些有意义的结论。随后基于Fluent（Proton Exchange Membrane）PEM模块，考虑反应气体加湿、电化学反应、相变等因素的影响，计算了燃料电池扩散层中水的传输和分布状态。最后对梯度扩散层的爆破压力和凝结相饱和度进行了测试，定性的印证了理论计算的正确性。 对于气体流道中液态水的传输，本文首次考虑构成流道壁面的扩散层和石墨板的疏水性和亲水性作用，利用VOF（Volume Of Flow）模型，模拟了不同风速下直流道和蛇型流道中液态水的运动特征。先比较详细研究了微流动中表面张力、壁面粘性力、气体惯性力等对液态运动状态影响的判断准则数；根据计算条件，认为表面张力对液态水运动有重要影响，进而确定以We数（同时也考虑风速）的变化来考察液态水的运动状态。之后分析了液态水滴和水膜在直流道和蛇型流道中在4种We数下的运动状态计算结果。结果表明，GDL（Gas Diffusion Layer）的疏水性、石墨板流道的亲水性对液态水在流道中的运动起着重要作用；在所计算的条件下，We数大于4.4（或气流速度低于4m／s）时，表面张力和壁面粘性力的影响对液态水的运动起主要作用，石墨板的亲水性具有重要作用；We数小于4.4（或气流速度高于4m／s）时，惯性力的影响对液态水的运动起主要作用；石墨板流道的亲水性可以将扩散层表面的液态水“吸附”到石墨板壁面上，有利于氧气经扩散层向催化层扩散，因而对电池的性能产生影响；考虑到壁面改性应该有利于液态水的排出和氧气的扩散，碳纸应该尽可
蒋中林,潘牧,罗志平,沈春晖,袁润章[9]（2005）在《交联改性PAMPS质子交换膜的制备与性能》文中进行了进一步梳理制备了聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（PAMPS）质子交换膜并对其进行交联改性,研究了膜的含水率、溶胀率、拉伸强度、高温保水率、质子电导率等性能。结果表明,PAMPS均质膜的质子导电率很高（0.32 S/cm）,但溶胀率过高、机械强度差。交联改性后,膜保持高的导电率（3%MBA,0.076 S/cm）和高温保水性能,且膜的溶胀率大幅度降低,机械强度显着提高（3%MBA,23.6 MPa）。
王江[10]（2005）在《直接甲醇质子交换膜燃料电池中传热传质现象的研究》文中研究说明直接甲醇燃料电池（DMFC）被认为是21世纪电动汽车最佳候选动力源。本文对电动汽车用DMFC水管理、热管理和CO2气体管理相关的传热传质问题进行了深入的理论探索,并设计组装了一个活化面积为100cm2的DMFC单电池及其性能测试系统实验台。为了阐明水在PEM中的传递机理,本文首先对DMFC的PEM中能量和质量迁移过程进行了定性分析和定量研究。应用有内热源的多孔介质中流体流动与换热理论求解了PEM中的温度分布和含水量分布,得到了与文献中报道的实验观察现象相一致的结论。计算结果还表明:反映水的热容量和膜的内部产热量的两个无量纲准则数D和N是研究PEM中热量和湿分迁移过程的重要工具;利用这两个重要的无量纲准则数D和N ,能对PEM中的流动和传热工况进行定性的分析和定量的判断;水的质量流率小和电流密度过高是造成膜失水的主要原因。利用多孔介质模型首次对DMFC的PEM内两相逆流的形成和发展规律进行了探索研究。进一步从传热传质学的角度阐明了PEM干涸烧毁的机理。建立了多孔PEM中两相区内的一维、稳态、含内热源多孔介质相变传热传质模型。该模型考虑了毛细力、电渗力和相变的影响。推导出了PEM中两相区的无量纲理论长度δt的计算公式和PEM临界干涸准则数[ ?ω/γ]cr的表达式。利用该模型对两相区内液相水饱和度、各相的压力以及温度分布进行了数值模拟。模拟结果能够从机理上解释欧姆极化区DMFC性能变化规律,为确定阴极催化剂含载量与最佳PEM厚度的选取提供了理论依据。通过推导和分析电池堆系统的热平衡方程式,明确了电池堆中废热的去除主要通过反应物吸收、水的蒸发和冷却系统三种机制来实现。在对Q?e v、Q? l和Q?r c三者关系的探讨中,进一步定量地建立了水平衡和热平衡的联系。依据DMFC电池堆水管理和热管理的要求,设计了一套分形树状网络通道散热系统。对该新型结构散热器的换热和泵功特性的分析表明其性能优于传统的平行通道和蛇行通道冷却系统。通过对该系统进行结构优化设计,得到了应用于DMFC堆的分形网络通道最优化结构参数。定量计算得到的热负荷、冷却水的质量流量以及冷却水进出口温差三者之间的联系曲线均表明,该结构能够将大部分温差转移到其覆盖区域的边缘部位,而核心部位的温度梯度能够控制在很小的范围内。计算结果还可用于MEA活化面积尺寸的优化设计。本文将DMFC阳极流道中伴随有边界面上的气液质量传递过程的两相流动现象与传统加热管中流动沸腾现象进行了比拟,首次提出了“拟沸腾”的概念,并建立了拟沸腾压力降模型来预测阳极流道中压力变化情况。通过模型计算结果与相关试验资料的对比,验证了模型的正确性和适用范围,而且新发现了一个有趣的现象:对于小活化面积的电池,在小电流密度下运行时,流道中扩散层表面的“非活化点”处滞留的气泡核心对主流有较大的附加摩擦阻力作用。利用本文模型进行了参数分析,主要考察了电流密度、阳极进料流量和电池工作温度对流动压力降的影响。得到了一个十分有意义的推论:如果DMFC的活化面积较小,为了避免流道中压力分布不均匀对电池性能的影响,可以将电池水平放置以提高电池性能和稳定性;而当电池活化面积较大时,电池较适合竖直放置。
二、燃料电池中质子交换膜干涸的热物理机制（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、燃料电池中质子交换膜干涸的热物理机制（论文提纲范文）
（1）质子交换膜燃料电池阴极气体扩散层制备机理及实验研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 质子交换膜燃料电池的概述 |
| 1.2.1 质子交换膜燃料电池的结构组成 |
| 1.2.2 质子交换膜燃料电池的工作原理 |
| 1.2.3 质子交换膜燃料电池中的极化现象 |
| 1.3 质子交换膜燃料电池用气体扩散层 |
| 1.3.1 气体扩散层概述 |
| 1.3.2 气体扩散层中的水/气传质 |
| 1.3.2.1 气体扩散层中的水管理 |
| 1.3.2.2 气体扩散层中的气管理 |
| 1.3.3 气体扩散层的研究现状 |
| 1.4 课题研究的目的、意义和内容 |
| 1.4.1 研究的目的和意义 |
| 1.4.2 研究的内容 |
| 2 实验设计与表征测试 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 实验材料和仪器 |
| 2.2.1 实验材料 |
| 2.2.2 实验仪器 |
| 2.3 气体扩散层的制备工艺 |
| 2.3.1 碳纸的疏水化处理 |
| 2.3.2 微孔层的制备 |
| 2.4 表征与测试 |
| 2.4.1 物理表征 |
| 2.4.1.1 扫描电子显微镜(SEM) |
| 2.4.1.2 疏水性 |
| 2.4.1.3 电阻率 |
| 2.4.1.4 孔结构 |
| 2.4.1.5 表面粗糙度 |
| 2.4.2 电化学表征 |
| 2.4.2.1 极化曲线和功率密度测试 |
| 2.4.2.2 电化学阻抗谱测试 |
| 2.5 本章小结 |
| 3 分级微孔层式气体扩散层的制备及性能研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 实验部分 |
| 3.2.1 分级微孔层制备材料 |
| 3.2.2 分级微孔层制备设备 |
| 3.2.3 分级微孔层制备过程 |
| 3.3 测试部分 |
| 3.3.1 燃料电池测试材料 |
| 3.3.2 物理和电化学性能测试方法 |
| 3.4 结果与讨论 |
| 3.4.1 电导率测试分析 |
| 3.4.2 疏水性测试分析 |
| 3.4.3 扫描电子显微镜测试分析 |
| 3.4.4 表面粗糙度测试分析 |
| 3.4.5 孔隙率测试分析 |
| 3.4.6 孔径分布测试分析 |
| 3.4.7 极化曲线和功率密度测试分析 |
| 3.4.8 电化学阻抗谱测试分析 |
| 3.5 本章小结 |
| 4 分级微孔层式气体扩散层的厚度和疏水性的研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 微孔层制备材料 |
| 4.2.2 微孔层制备设备 |
| 4.2.3 微孔层制备过程 |
| 4.3 测试部分 |
| 4.3.1 燃料电池测试材料 |
| 4.3.2 物理和电化学性能测试方法 |
| 4.4 结果与讨论 |
| 4.4.1 电导率和水接触角测试分析 |
| 4.4.2 扫描电子显微镜测试分析 |
| 4.4.3 孔径分布测试分析 |
| 4.4.4 孔隙率测试分析 |
| 4.4.5 单电池性能测试分析 |
| 4.4.6 最大功率密度测试分析 |
| 4.4.7 电化学阻抗谱测试分析 |
| 4.5 本章小结 |
| 5 复合碳粉调控气体扩散层的孔径分布及性能研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 实验部分 |
| 5.2.1 气体扩散层制备材料 |
| 5.2.2 气体扩散层制备设备 |
| 5.2.3 气体扩散层制备过程 |
| 5.3 测试部分 |
| 5.3.1 燃料电池测试材料 |
| 5.3.2 物理和电化学性能测试方法 |
| 5.4 结果与讨论 |
| 5.4.1 碳粉特性的测试分析 |
| 5.4.2 疏水性测试分析 |
| 5.4.3 电导率测试分析 |
| 5.4.4 孔径分布测试分析 |
| 5.4.5 孔隙率测试分析 |
| 5.4.6 扫描电子显微镜测试分析 |
| 5.4.7 表面粗糙度测试分析 |
| 5.4.8 极化曲线和功率密度测试分析 |
| 5.4.9 电化学阻抗谱测试分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 6 全文总结与展望 |
| 6.1 全文总结 |
| 6.2 主要创新点 |
| 6.3 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间发表的学术论文目录 |
（2）质子交换膜燃料电池多物理场数值模拟研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 质子交换膜燃料电池研究意义 |
| 1.3 质子交换膜燃料电池热管理的研究现状与待解决的问题 |
| 1.3.1 质子交换膜燃料电池的热管理的研究现状 |
| 1.3.2 质子交换膜燃料电池热管理待解决的问题 |
| 1.4 本文主要内容、研究方法及创新点 |
| 1.4.1 本文研究与开发的课题内容 |
| 1.4.2 研究方法 |
| 1.4.3 创新点 |
| 1.5 本章小结 |
| 第2章 质子交换膜燃料电池基本原理 |
| 2.1 质子交换膜燃料电池结构和工作原理 |
| 2.2 质子交换膜燃料电池特点 |
| 2.3 质子交换膜燃料电池能量转换效率 |
| 2.4 质子交换膜燃料电池极化曲线分析 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 质子交换膜燃料电池数学模型及计算 |
| 3.1 模型假设 |
| 3.2 模型假设电极的数学模型描述 |
| 3.3 流体通道的数学模型 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 质子交换膜燃料电池物理模型 |
| 4.1 模型几何参数 |
| 4.1.1 PEMFC温度场模型 |
| 4.1.2 微型PEMFC空冷型模型 |
| 4.1.3 微型PEMFC冷却液模型 |
| 4.2 模型边界条件 |
| 4.3 燃料的物性参数 |
| 4.3.1 PEMFC温度场 |
| 4.3.2 空冷型PEMFC温度场 |
| 4.3.3 冷却液型PEMFC温度场 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 质子交换膜燃料电池数值模拟分析 |
| 5.1 软件COMSOL Multiphysics |
| 5.1.1 基于物理场和方程的模拟接口 |
| 5.1.2 模型耦合 |
| 5.1.3 网格剖分 |
| 5.1.4 几何建模 |
| 5.1.5 数值方法 |
| 5.2 质子交换膜燃料电池温度场模拟 |
| 5.2.1 工作温度对PEMFC温度的影响 |
| 5.2.2 气体扩散层空隙对PEMFC温度的影响 |
| 5.2.3 交换电流密度对PEMFC温度的影响 |
| 5.3 空冷型质子交换膜燃料电池模拟分析 |
| 5.3.1 自然对流冷却 |
| 5.3.2 强制对流冷却 |
| 5.4 水冷型质子交换膜燃料电池模拟分析 |
| 5.4.1 冷却水流速的改变 |
| 5.4.2 冷却水温度的改变 |
| 5.4.3 冷却水方向的改变 |
| 5.5 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间发表的学术论文 |
| 致谢 |
（5）质子交换膜燃料电池堆的热模拟及优化（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 PEM燃料电池 |
| 1.1.1 PEM燃料电池的发展历史 |
| 1.1.2 PEM燃料电池的原理 |
| 1.1.3 PEM燃料电池的结构 |
| 1.1.4 PEM燃料电池的特点 |
| 1.2 PEM燃料电池的数值模拟 |
| 1.2.1 PEM燃料电池的数学模型 |
| 1.2.2 PEM电池堆的模型 |
| 1.2.3 PEM燃料电池的热模拟 |
| 1.2.4 PEM燃料电池的模拟平台 |
| 1.4 本文工作 |
| 第2章 PEM燃料电池热模拟模型 |
| 2.1 质量守恒方程 |
| 2.2 动量守恒方程 |
| 2.2 能量守恒方程 |
| 2.3 组份守恒方程 |
| 2.4 液态水的形成和传输 |
| 2.5 电化学模型 |
| 2.6 物性参数 |
| 2.7 本章小结 |
| 第3章 PEM燃料电池的模拟平台 |
| 3.1 高性能计算机集群 |
| 3.1.1 Linpack性能测试简介 |
| 3.1.2 Linpack性能测试程序包HPL |
| 3.1.3 计算机计算峰值简介 |
| 3.1.4 测试环境 |
| 3.1.5 Linpack安装与调试 |
| 3.1.6 测试结果及分析 |
| 3.2 Fluent软件的多重网格并行算法及其性能 |
| 3.2.1 Fluent软件中的多重网格方法 |
| 3.2.2 Fluent软件中的并行算法 |
| 3.2.3 多重网格并行性能测试 |
| 3.3 本章小结 |
| 第4章 单电池的热模拟及优化 |
| 4.1 冷却流道位置对膜中温度分布的影响 |
| 4.1.1 几何模型及参数 |
| 4.1.2 冷却水温度分析 |
| 4.1.3 膜中温度分析 |
| 4.2 冷却水流速对冷却效果的影响 |
| 4.2.1 几何模型及参数 |
| 4.2.2 冷却水流速对冷却水出口温度的影响 |
| 4.2.3 冷却水流速对膜中温度分布的影响 |
| 4.3 冷却流道截面尺寸对冷却效果的影响 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 电池堆的热平衡与热模拟 |
| 5.1 电池堆的热生成与散热 |
| 5.1.1 热量来源 |
| 5.1.2 热量散发 |
| 5.2 电堆的热平衡计算 |
| 5.3 电堆的热模拟及优化 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6章 结论与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 硕士期间发表的论文和参加的科研项目 |
（6）质子交换膜燃料电池中温度分布的模拟（论文提纲范文）
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题背景 |
| 1.1.1 质子交换膜燃料电池的组成及工作原理 |
| 1.1.2 质子交换膜燃料电池温度分布问题 |
| 1.1.3 质子交换膜燃料电池的计算机模拟 |
| 1.2 文献综述 |
| 1.2.1 质子交换膜燃料电池研究及技术进展 |
| 1.2.2 温度分布及热管理 |
| 1.2.3 模型研究进展及数值模拟方法 |
| 1.3 本文工作 |
| 第2章 质子交换膜燃料电池的热分析模型 |
| 2.1 质子交换膜燃料电池热源分析 |
| 2.1.1 质子交换膜燃料电池的能量转换效率 |
| 2.1.2 热源分析 |
| 2.2 数学模型分类及描述 |
| 2.2.1 机理模型与经验模型 |
| 2.2.2 模型维数的发展 |
| 2.3 控制方程 |
| 2.3.1 电化学方程 |
| 2.3.2 基本守恒方程 |
| 2.3.3 水平衡方程 |
| 2.4 边界条件 |
| 2.5 数值计算方法 |
| 第3章 燃料电池运行条件对温度分布的影响 |
| 3.1 几何模型及参数 |
| 3.2 工作电流密度对温度分布的影响 |
| 3.3 气体加湿对温度分布的影响 |
| 3.4 气体压力对温度分布的影响 |
| 3.5 气体过量系数的影响 |
| 3.6 扩散层导热系数对温度分布的影响 |
| 3.7 本章小结 |
| 第4章 冷却水状态对温度分布的影响 |
| 4.1 几何模型及参数 |
| 4.2 冷却槽内温度分析 |
| 4.3 本章小结 |
| 第5章 温度分布的影响因素及测量方法 |
| 5.1 温度分布的影响因素 |
| 5.2 温度分布测量方法 |
| 5.2.1 热电偶直接测量法 |
| 5.2.2 红外热成像法 |
| 5.2.3 无损测试推算法 |
| 5.3 模拟结果与实验数值的对比 |
| 5.4 本章小结 |
| 第6章 结论与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 硕士期间发表的论文和参加的科研项目 |
（7）质子交换膜燃料电池反极现象研究（论文提纲范文）
| 第1章 绪论 |
| 1.1 燃料电池工作原理及实用化性能要求 |
| 1.1.1 质子交换膜燃料电池的工作原理 |
| 1.1.2 质子交换膜燃料电池的组成 |
| 1.1.3 质子交换膜燃料电池实用化要求 |
| 1.2 燃料电池反极引起的原因分析 |
| 1.3 反极研究进展 |
| 1.4 论文选题目的和要解决的问题 |
| 第2章 反极机理和交流阻抗分析 |
| 2.1 前言 |
| 2.2 燃料电池电催化机理 |
| 2.2.1.氢氧反应电催化原理正常反应的机理 |
| 2.2.2 PEMFC电催化剂机理研究现状 |
| 2.3 燃料电池反极机理 |
| 2.3.1 氢气析出的电催化 |
| 2.3.2 氧析出反应的电催化 |
| 2.4 交流阻抗模拟分析 |
| 2.4.1 引言 |
| 2.4.2 交流阻抗谱和等效电路 |
| 2.5 实验方法 |
| 2.5.1 工作电极的制备 |
| 2.5.2 测试条件 |
| 2.6 结果与讨论 |
| 2.6.1 不同气氛下Pt／C电极的行为研究 |
| 2.7 本章小结 |
| 第3章 “水淹电极”引起反极的研究 |
| 3.1 前言 |
| 3.2 理论部分 |
| 3.2.1 液态水对极限电流的影响 |
| 3.2.2 电极结构模型与极限电流模型研究 |
| 3.2.3 极限电流模型分析 |
| 3.2.4 极限电流的计算分析 |
| 3.3 实验部分 |
| 3.3.1 实验装置和试剂 |
| 3.3.2 实验条件 |
| 3.3.3 结果和分析 |
| 3.4 流场设计与液态水排出的关系 |
| 3.4.1 动态排水 |
| 3.4.2 静态排水 |
| 3.4.3 流场板的改进防止水淹电极 |
| 3.5 常用流场类型结构 |
| 3.6 新型阴极流场对电池性能影响 |
| 3.6.1 流场形状 |
| 3.6.2 流场结构的优化 |
| 3.7 本章小结 |
| 第4章 气体不足反极研究 |
| 4.1 前言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 实验试剂与装置 |
| 4.2.2 实验条件 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.3.1 空气流量对电池性能的影响 |
| 4.3.2 气体不足反极 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 结论和展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读硕士期间发表的论文 |
（8）质子交换膜燃料电池中水传输机理研究（论文提纲范文）
| 摘 要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题背景 |
| 1.2 文献综述 |
| 1.2.1 流道中水的传输 |
| 1.2.2 扩散层中水的传输 |
| 1.2.3 膜中水的传输 |
| 1.2.4 加湿方式 |
| 1.2.5 液态水的测量和诊断 |
| 1.2.6 过量液态水的排出 |
| 1.2.7 传输模拟及水传输研究发展趋势 |
| 1.3 本文工作 |
| 第2章 质子交换膜燃料电池的传输模型 |
| 2.1 基本方程 |
| 2.1.1 质量守恒方程 |
| 2.1.2 动量守恒方程 |
| 2.1.3 能量守恒方程 |
| 2.1.4 组份守恒方程 |
| 2.1.5 电化学方程 |
| 2.1.6 电流守恒方程 |
| 2.2 水传输和相变模型 |
| 2.2.1 膜中水传输模型 |
| 2.2.2 水的相变模型 |
| 2.3 质子交换膜燃料电池物性参数漠型 |
| 2.3.1 反应物与生成物 |
| 2.3.2 质子交换膜 |
| 2.3.3 催化层 |
| 2.3.4 扩散层 |
| 2.3.5 极板 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 质子交换膜燃料电池中水的生成和相变 |
| 3.1 质子交换膜燃料电池中水的生成 |
| 3.1.1 催化层微观结构模型及电化学反应生成水 |
| 3.1.2 疏水材料和亲水材料与水的润湿关系 |
| 3.2 质子交换膜燃料电池中水的相变 |
| 3.2.1 混合气体压力和水的饱和蒸汽分压的关系 |
| 3.2.2 孔径与材料亲疏水性和水饱和压力的关系 |
| 3.2.3 水的相变条件 |
| 3.3 本章小结 |
| 第4章 扩散层中水的传输 |
| 4.1 多孔介质动力学基础 |
| 4.1.1 多孔介质中的传输机理 |
| 4.1.2 多孔介质中的UFT模型 |
| 4.2 梯度扩散层中水的传输 |
| 4.2.1 计算模型 |
| 4.2.2 扩散层梯度结构对液态水排出的影响 |
| 4.2.3 液态水分布对气体扩散的影响 |
| 4.3 扩散层中水传输的三维模拟 |
| 4.3.1 计算模型 |
| 4.3.2 结果及分析 |
| 4.4 扩散层中水的传输实验 |
| 4.4.1 实验方法 |
| 4.4.2 结果及分析 |
| 4.5 本章小结 |
| 第5章 流道中水的传输 |
| 5.1 流道中水传输模型 |
| 5.1.1 两相流的VOF模型 |
| 5.1.2 微流道流动准则数 |
| 5.1.3 几何模型及边界条件 |
| 5.2 直流道中水的传输模拟 |
| 5.2.1 直流道内液滴的运动 |
| 5.2.2 直流道内液膜的运动 |
| 5.3 蛇型流道中水的传输模拟 |
| 5.3.1 蛇型流道内液滴的运动 |
| 5.3.2 蛇型流道内液膜的运动 |
| 5.4 流道壁面改性处理对水传输的影响 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6章 膜中水的传输及自增湿膜研究 |
| 6.1 膜中水传输的一维模拟 |
| 6.1.1 计算模型 |
| 6.1.2 结果及分析 |
| 6.2 自增湿膜中水传输的三维模型 |
| 6.3 膜厚对膜中水分布的影响 |
| 6.3.1 超薄膜(3μm) |
| 6.3.2 薄膜(15μm) |
| 6.3.3 厚膜(50μm及175μm) |
| 6.4 其它因素对膜中水分布的影响 |
| 6.4.1 气体流动方向的影响 |
| 6.4.2 扩散层厚度的影响 |
| 6.4.3 加湿的影响 |
| 6.5 各因素对电池性能的影响 |
| 6.6 本章小结 |
| 第7章 结论与展望 |
| 7.1 结论 |
| 7.2 创新之处 |
| 7.3 展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间发表的论文和参加的课题 |
（10）直接甲醇质子交换膜燃料电池中传热传质现象的研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 燃料电池简介 |
| 1.1.1 燃料电池的构造和工作原理 |
| 1.1.2 燃料电池的类型、研究现状及应用 |
| 1.1.3 燃料电池的开发背景 |
| 1.2 质子交换膜燃料电池 |
| 1.2.1 单电池和电池堆的结构 |
| 1.2.2 各主要构件的功能及材料 |
| 1.2.3 PEMFC 的性能分析 |
| 1.3 直接甲醇燃料电池 |
| 1.3.1 概述 |
| 1.3.2 DMFC 商业化存在的主要问题 |
| 1.3.3 DMFC 的开发现状 |
| 第二章 直接甲醇燃料电池模型和传热传质研究现状的分析 |
| 2.1 PEMFC 的研究进展 |
| 2.1.1 文献调研 |
| 2.1.3 质子交换膜中的水传递模型 |
| 2.1.4 催化层数学模型 |
| 2.1.5 扩散层数学模型 |
| 2.2 DMFC 的研究进展 |
| 2.2.1 DMFC 在纽卡斯尔大学的发展 |
| 2.2.2 DMFC 在Julich 研究中心的发展 |
| 2.2.3 DMFC 在香港科技大学的发展 |
| 2.2.4 DMFC 在宾夕法尼亚大学的发展 |
| 2.2.5 DMFC 在其他研究机构的发展概述 |
| 2.3 本文的主要研究内容及意义 |
| 第三章 直接甲醇燃料电池质子交换膜中的水传递 |
| 3.1 质子交换膜 |
| 3.1.1 Nafion 膜的微观结构及质子传导机理 |
| 3.1.2 质子交换膜的水含量 |
| 3.2 质子交换膜中热量和水份的迁移 |
| 3.2.1 质子交换膜的脱水和干涸现象 |
| 3.2.2 PEM 中的热量和质量迁移 |
| 3.2.3 PEM 中温度场和含水量分布的求解方法 |
| 3.2.4 计算结果及分析 |
| 3.3 质子交换膜中的两相逆流和干涸机理 |
| 3.3.1 PEM 中两相逆流的发生和发展 |
| 3.3.2 理论模型的建立 |
| 3.3.3 计算结果及分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 直接甲醇燃料电池堆新型冷却系统的研究 |
| 4.1 电池堆的热管理 |
| 4.1.1 热管理的内容及目的 |
| 4.1.2 电池系统的热平衡 |
| 4.1.3 电池系统的温度控制要求 |
| 4.1.4 DMFC 常规冷却方式概述 |
| 4.2 分形树状网络通道散热器 |
| 4.2.1 分形树状网络通道的几何结构特征 |
| 4.2.2 分形树状网络通道散热器的换热特性 |
| 4.2.3 分形树状网络通道散热器的泵功特性 |
| 4.3 DMFC 堆新型冷却系统的设计 |
| 4.3.1 分形树状网络通道的结构优化 |
| 4.3.2 冷却系统对DMFC 堆冷却效果的分析模型 |
| 4.3.3 冷却系统对排热板壁面温度分布的影响 |
| 4.3.4 热负荷对流程方向温度分布的影响 |
| 4.3.5 冷却水流量对流程方向温度分布的影响 |
| 4.3.6 冷却水的进出口温差与流量的关系 |
| 4.3.7 MEA 活化面积尺寸的优化设计 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 直接甲醇燃料电池阳极流道中流动特性的研究 |
| 5.1 DMFC 的CO_2 气体管理 |
| 5.2 阳极流道中的气液两相流 |
| 5.2.1 CO_2 气泡在扩散层表面的生长及脱离 |
| 5.2.2 阳极两相流的流型变化 |
| 5.3 阳极流道中流动的拟沸腾理论 |
| 5.4 阳极流道内两相流流动压力降模型 |
| 5.4.1 各组分的质量流量分布 |
| 5.4.2 两相流动压力降计算关联式 |
| 5.4.3 阳极流道两相流压力降模型的求解方法 |
| 5.4.4 模型的实验验证 |
| 5.5 模型的计算结果和分析 |
| 5.5.1 电流密度对压力降的影响 |
| 5.5.2 进料流量对压力降的影响 |
| 5.5.3 工作温度对压力降的影响 |
| 5.6 本章小结 |
| 第六章 直接甲醇燃料电池的实验研究 |
| 6.1 DMFC 单电池的设计 |
| 6.2 DMFC 单电池的调试实验 |
| 6.2.1 单电池的组装 |
| 6.2.2 MEA 的活化 |
| 6.2.3 单电池的调试实验步骤 |
| 6.2.4 单电池的调试实验结果分析 |
| 6.3 性能测试系统的研制 |
| 6.3.1 阳极供料及排放系统 |
| 6.3.2 阴极供料及排放系统 |
| 6.3.3 加热及温控系统 |
| 6.4 性能测试实验台的调试 |
| 6.5 小结 |
| 第七章 结论和展望 |
| 7.1 结论 |
| 7.1.1 本课题的意义 |
| 7.1.2 本文的主要工作回顾 |
| 7.2 展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间发表的论文 |
四、燃料电池中质子交换膜干涸的热物理机制（论文参考文献）
- [1]质子交换膜燃料电池阴极气体扩散层制备机理及实验研究[D]. 刘守一. 青岛科技大学, 2021(01)
- [2]质子交换膜燃料电池多物理场数值模拟研究[D]. 张馨予. 吉林建筑大学, 2016(04)
- [3]基于燃料电池的冷却板设计与优化[A]. 赵福旺,刘赵淼,申峰. 北京力学会第21届学术年会暨北京振动工程学会第22届学术年会论文集, 2015
- [4]PEMFC传输现象三维模拟[A]. 詹志刚,王谌,裴后昌. 第五届中国智能交通年会暨第六届国际节能与新能源汽车创新发展论坛优秀论文集（下册）——新能源汽车, 2009
- [5]质子交换膜燃料电池堆的热模拟及优化[D]. 余江洪. 武汉理工大学, 2006(04)
- [6]质子交换膜燃料电池中温度分布的模拟[D]. 朱蓉文. 武汉理工大学, 2006(08)
- [7]质子交换膜燃料电池反极现象研究[D]. 华周发. 武汉理工大学, 2006(08)
- [8]质子交换膜燃料电池中水传输机理研究[D]. 詹志刚. 武汉理工大学, 2006(12)
- [9]交联改性PAMPS质子交换膜的制备与性能[J]. 蒋中林,潘牧,罗志平,沈春晖,袁润章. 武汉理工大学学报, 2005(11)
- [10]直接甲醇质子交换膜燃料电池中传热传质现象的研究[D]. 王江. 东南大学, 2005(02)
标签：燃料电池论文; 电池论文; 质子交换膜燃料电池论文; 质子交换膜论文; pem论文;