一種質(zhì)子交換膜燃料電池的多尺度關(guān)聯(lián)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種能源系統(tǒng)的模擬方法，尤其涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池的多尺 度模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 質(zhì)子交換膜燃料電池具有在常溫工作和快速啟動(dòng)等特點(diǎn)，已成為國(guó)際上的研究熱 點(diǎn)。為了改善電池性能，需要深入研究質(zhì)子交換膜燃料電池中傳遞現(xiàn)象及其機(jī)理。質(zhì)子交換 膜燃料電池具有多尺度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其多尺度表現(xiàn)為從電池及其部件的宏觀尺寸，到分別 具有微米、亞微米和納米多孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜的微觀尺度。電池 性能與部件的宏觀尺寸和多孔層的微觀結(jié)構(gòu)均密切相關(guān)。
[0003] 目前主要采用基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和體積平均法的宏觀模型來(lái)研究質(zhì)子交換膜燃 料電池這一復(fù)雜系統(tǒng)傳遞過(guò)程。該方法雖然成熟，但由于計(jì)算能力有限，大多沒(méi)有考慮微尺 度效應(yīng)和跨尺度的影響。事實(shí)上，多孔介質(zhì)微孔內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特征與宏觀尺度下有很大 的不同，因此，基于這些宏觀模型的模擬不能真實(shí)反映燃料電池中的傳遞機(jī)理。
[0004] 基于分子動(dòng)力學(xué)理論的微觀分析方法，如分子動(dòng)力學(xué)模擬、格子Bo 1 tzmann法等， 能更加本質(zhì)描述微結(jié)構(gòu)中的傳遞現(xiàn)象。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)應(yīng)用此類方法，對(duì)擴(kuò)散層、催 化層和膜電極開(kāi)展了相關(guān)研究，但對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池這樣一個(gè)復(fù)雜而完整的對(duì)象，采 用分子動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算量巨大，求解很困難。
[0005] 綜上所述，對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)的多尺度傳遞現(xiàn)象，單一地采用以宏觀力 學(xué)為基準(zhǔn)的連續(xù)介質(zhì)模型或以量子力學(xué)為基準(zhǔn)的第一原理方法，難以完整、準(zhǔn)確地刻畫燃 料電池及其結(jié)構(gòu)從微觀到宏觀相互關(guān)聯(lián)的特性，而僅采用分子動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算能力又不 足。因此，多尺度關(guān)聯(lián)就自然成為處理這種復(fù)雜問(wèn)題的切實(shí)手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為復(fù)雜多尺度系統(tǒng)的傳質(zhì)傳熱機(jī)理研究提供一種多尺度關(guān)聯(lián) 求解跨尺度傳遞方程的方法。本發(fā)明擬對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的宏觀流動(dòng)建立宏觀傳遞模 型，對(duì)微孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳遞建立微觀傳遞模型，應(yīng)用多尺度關(guān)聯(lián)求解跨尺度傳遞方程研究電 池內(nèi)部的多尺度傳遞機(jī)理。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0008] -種質(zhì)子交換膜燃料電池的多尺度關(guān)聯(lián)方法，其特征在于，所述關(guān)聯(lián)方法包括以 下步驟：
[0009] (1)試驗(yàn)獲取多孔層的微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和圖像，并做分形和微觀特征分析；
[0010] (2)建立膜電極多孔層的微觀理論模型，研究微孔內(nèi)的傳質(zhì)傳熱機(jī)理；
[0011] (3)建立單電池傳遞機(jī)理的多尺度關(guān)聯(lián)模型，研究多孔層微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電池性 能影響。
[0012] 所述的多孔層包含氣體擴(kuò)散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜。
[0013] 所述的多孔層微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括孔隙率、彎曲率和孔徑分布等，通過(guò)壓汞試驗(yàn)獲 取。
[0014] 所述的多孔層微觀結(jié)構(gòu)圖像用掃描電子顯微鏡試驗(yàn)獲取。
[0015] 所述的分形特征分析方法包括盒維法、差分盒維法、雙毯法、基于離散分?jǐn)?shù)布朗增 量隨機(jī)場(chǎng)的方法、變分法等分形維測(cè)定方法。
[0016] 所述的微觀理論模型，用分形維描述多孔層的幾何形態(tài)及孔隙分布特征，建立多 孔材料的分形理論模型，包括飽和與非飽和滲透率分形模型、熱導(dǎo)率分形模型和氫、氧有效 擴(kuò)散系數(shù)分形模型。
[0017]所述的微孔內(nèi)傳質(zhì)傳熱機(jī)理即物性參數(shù)(如滲透率、熱導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)等)與多孔 材料結(jié)構(gòu)及其微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。
[0018] 所述的多尺度關(guān)聯(lián)，首先建立質(zhì)子交換膜燃料電池的宏觀傳遞模型，然后嵌入一 系列膜電極多孔層微觀理論模型，借助計(jì)算流體力學(xué)軟件，來(lái)研究電池內(nèi)部的多尺度傳遞 機(jī)理。
[0019] 與現(xiàn)有發(fā)明相比，本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于：
[0020] (1)多孔層材料微結(jié)構(gòu)的分形表征與物性參數(shù)的理論模型；
[0021] (2)多孔層微觀理論模型與燃料電池宏觀模型的多尺度關(guān)聯(lián)方法。
[0022] 本發(fā)明建立的微觀模型可用于觀察、分析多孔材料的微觀特性，還能預(yù)測(cè)材料物 性，為多孔材料物性參數(shù)軟測(cè)量提供理論基礎(chǔ)。通過(guò)多尺度關(guān)聯(lián)，尋找多孔層微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電 池性能的作用規(guī)律，為質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極多孔層材料優(yōu)化設(shè)計(jì)和制備提供理論和 技術(shù)基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明所述質(zhì)子交換膜燃料電池多尺度關(guān)聯(lián)方法的研究方案；
[0024] 圖2為本發(fā)明所述多孔層材料微觀特征分析示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明所述多孔層的微觀理論建模示意圖；
[0026]圖4a為多孔層常規(guī)毛細(xì)管束模型示意圖；
[0027]圖4b為多孔層分形表征模型示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明所述多尺度關(guān)聯(lián)分析示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]本發(fā)明整體研究方案如圖1所示，主要分為4步：
[0031] 1)對(duì)多孔層材料微觀特征提取與分析；
[0032] 2)多孔層材料特性試驗(yàn)測(cè)量與模型驗(yàn)證；
[0033] 3)單電池性能測(cè)試與多尺度模型驗(yàn)證；
[0034] 4)多孔層微觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)電池性能作用規(guī)律。
[0035] 步驟1)通過(guò)試驗(yàn)獲取多孔層的微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和圖像，并做分形和微觀特征分析。 多孔層材料微觀特征分析思路如圖2所示，主要包括基于試驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)的分形分析和基 于SEM圖像的分形分析。
[0036]基于試驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)的分形分析可以通過(guò)壓汞試驗(yàn)來(lái)獲取微觀特征數(shù)據(jù)(包括孔 隙率和孔徑分布等）。具體方法如下：首先，對(duì)多孔層試樣進(jìn)行干燥處理，再切塊;通過(guò)不同 壓力將水銀壓入切塊的試樣孔隙中，根據(jù)不同壓力及所對(duì)應(yīng)的進(jìn)汞量（以汞飽和度計(jì))繪制 關(guān)系曲線。同時(shí)，可以得出不同孔隙大小與所占總孔隙體積比例的關(guān)系。然后，采用 Washburn方程和孔徑概率密度分布函數(shù)推導(dǎo)出分形維和壓力及進(jìn)汞量關(guān)系，結(jié)合試驗(yàn)數(shù) 據(jù)，計(jì)算分形維，研究多孔層的微觀結(jié)構(gòu)和分形特征。
[0037]基于SEM圖像的分形分析可以通過(guò)掃描電子顯微鏡來(lái)獲取膜電極多孔層的掃描電 子顯微鏡(SEM)圖像，然后結(jié)合圖像數(shù)據(jù)，研究盒維法、差分盒維法、雙毯法、基于離散分?jǐn)?shù) 布朗增量隨機(jī)場(chǎng)的方法、變分法等分形維測(cè)定方法。首先，采用每種方法計(jì)算出標(biāo)度值數(shù)組 和盒子數(shù)數(shù)組，再對(duì)這兩組數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)，進(jìn)行線性回歸分析，計(jì)算斜率，得出分形維。利用上 述分形維數(shù)測(cè)定算法對(duì)PEM燃料電池多孔層材料進(jìn)行分析，對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)選出最 合適的方法。此外，對(duì)各多孔層材料采集多組不同放大倍數(shù)的SEM圖像，研究分形維計(jì)算方 法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，優(yōu)選出適用于各多孔層的放大倍數(shù)。
[0038]步驟2)建立膜電極多孔層的微觀理論模型，研究微孔內(nèi)的傳質(zhì)傳熱機(jī)理。膜電極 多孔層的微觀理論模型研究思路如圖3所示，采用分形理論，研究多孔材料的SEM圖像。由于 理論分析中常用的毛細(xì)管束模型（如圖4a所示)過(guò)于理想，具有一定局限性，引入分形理論 來(lái)表征孔徑分布和通道的彎曲，如圖4b所示。用分形維描述多孔層的幾何形態(tài)及分布特征， 建立多孔材料的分形理論模型。
[0039]首先，用彎曲率分形維DT表征彎曲流動(dòng)通道的長(zhǎng)度L(λ):
[0040] (1)
[0041] 式中，λ表示流動(dòng)通道的孔徑，Lo表示流動(dòng)的直線距離，DT反映了當(dāng)流體流經(jīng)多孔介 質(zhì)時(shí)毛細(xì)管通道彎曲的程度。
[0042] 再用孔隙面積分形維Df表征孔徑大于等于λ的孔隙累積分布函數(shù)：
[0043]
[0044] 式中，Amax為最大孔徑。
[0045] 利用步驟1)中優(yōu)選的分形維數(shù)計(jì)算方法測(cè)定多孔層彎曲率分形維和孔隙面積分 形維。
[0046]接著，結(jié)合多孔材料內(nèi)的傳質(zhì)傳熱機(jī)理，理論分析物性參數(shù)(如滲透率、熱導(dǎo)率和 擴(kuò)散系數(shù)等)與多孔材料結(jié)構(gòu)及其微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，利用微觀結(jié)構(gòu)的分形表征推導(dǎo)分 形維和物性參數(shù)的解析表達(dá)式。
[0047] 例如，本發(fā)明基于分形表征推導(dǎo)了氣體擴(kuò)散層滲透率K的表達(dá)式如下：
[0048]
[0049