碳纸微结构重构、孔尺度模拟及优化开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

目的：我的毕业设计选题名称是“碳纸微结构，孔尺度模拟及优化”，所以关于这个选题我最重要的任务是完成碳纸的微结构重构，然后将重构完成的模型放入孔尺度模型模拟方法中模拟仿真各项性能，并加以分析。

意义：质子交换膜燃料电池（pemfc)具有工作温度低，启动速度快，使用寿命长，高效，环保的特点，被认为是电动车，可移动设备的最佳替代电源。而膜电极三合一组件（mea)是质子交换膜电池的核心部件之一，对电池的各种性能和寿命都具有决定性的影响，而膜电极通常由气体扩散层（gdl),催化剂层，和质子交换膜通过热压工艺制成，其中气体扩散层由导电的多孔材料构成，通常是经过聚四氟乙烯（ptfe)处理的碳纸或者碳布，厚度约为100~400微米，孔径为10微米量级，这便与我所选择的课题有了关系，gdl的主要功能是供气通道，导电，还有排水，此外还起到支撑催化层的作用，其多孔介质的特性直接就影响了内部物质的传递过程，进而对电池的综合性能有着关键性的影响。因此，我的课题是对gdl微孔隙结构进行重构，所以怎样重构并优化gdl的微观结构，对于质子交换膜燃料电池的性能和发展有着积极的促进作用，这便是我的课题研究意义所在。

国内外的研究现状分析：目前国内外对于gdl微观结构的重构方法主要有两种：1.基于随机的重构方法。2.基于图像的重构方法。基于图像的重构技术是指使用x射线断层扫描数据，处理并整合起来得到材料的微观几何结构，此方法的优点是可以得到的微观结构较为真实，缺点是成本较高，并且无法区分不同的固相（纤维，粘合剂和聚四氟乙烯）而基于随机的重构技术则是利用随机数字生成器和构成材料的几何分布统计信息并设置一系列的规则来生成虚拟模型，通过研究使用电子扫描显微镜（sem)获得的材料横截面二维图像，获得纤维的几何分布统计信息，如孔隙率，孔隙直径等，然后通过随机算法构建三维模型，主要概念是生成一组具有同一平面内不同方向的水平纤维，并将其堆叠在预定的区域内，直到获得目标的一些参数数值，这种方法优点是成本比较低，而且易于实现，虽然仿真会有些偏差，但对于现阶段的研究来说是足够的。

2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容：

了解质子交换膜燃料电池膜电极中gdl的性能，作用，以及结构组成，之后通过各种文献了解碳纸gdl的重构的方法，以及碳纸模拟仿真各项性能的方法。

目标：进行碳纸的微结构重构，旨在建立比较真实的碳纸微观结构，并且通过孔尺度模型的方法来模拟仿真各项性能。

3. 研究计划与安排

大致的进度安排尽量遵守学校的规定，并且提前以上时间节点完成各项任务，接下来两到三周我将学习跟GDL碳纸重建有关的软件，比如matlab，接着便开始实践操作对碳纸进行重构，碳纸重构完毕后将其放入孔尺度模拟的程序中模拟仿真各项性能，4月15日前提交第一次阶段性报告，4月30日之前提供第二次阶段性报告，5月15日之前提交第三次阶段性报告，5月31日之前提交定稿。

4. 参考文献（12篇以上）

1.罗马吉，燃料电池基础，武汉，武汉理工大学汽车工程学院，2016.

随着人类科学技术的发展和应用，当今的节约能源和环境保护已经成为人类社会可持续发展战略的核心，面对能源危机的挑战，各国都在致力于寻求新的能源结构，而氢能有可能在世界能源舞台上成为重要的一种二次能源，在这样的背景下，利用氢能发电的燃料电池的研究也就显得十分重要。本文介绍了燃料电池的原理，特点和分类，并且将其与普通电池与热机进行了比较，就其优缺点展开了说明。燃料电池的研究历史比较长，应用也比较广泛，而应用于汽车领域中，pemfc是一个重要的研究对象，随着质子交换膜的不断研究，其前景是越来越受重视，电解质将电池分隔成阴极和阳极两部分，氢气和氧气分别在阳极和阴极发生氧化和还原反应，电子在外部电路移动，离子在电解质中移动便产生电流，而在其关键元件中，气体扩散层（gdl)起着导电排水和导气的作用，gdl通常由基底层和微孔层组成，气体扩散的通道是经过憎水处理的孔道充当，未经憎水处理的孔道则为产物水的传递通道。gdl的制备分为基底层的制备和微孔层的制备。而气体扩散层的影响因素又包括材料，组成成分和制备工艺的三方面影响。