质子交换膜燃料电池中传递机理的分形多尺度关联研究

质子交换膜燃料电池具有多尺度复杂结构，跨度从单电池及部件的宏观尺寸，到分别具有微米、亚微米和纳米多孔结构的气体扩散层、催化层和质子交换膜的微观尺度。电池性能与部件的宏观尺寸和多孔层的微观结构均密切相关。目前成熟的宏观模型无法真实描述多孔层内的流动和传热，对整个单电池采用微观分析方法，计算量大，求解困难。多尺度关联自然成为研究单电池内传递机理的有效方法。本项目拟采用两种多尺度关联方案：1.采用分形表征多孔层材料微观结构，建立微观理论模型，嵌入单电池宏观模型，实现多尺度关联；2.采用图像三维重构技术建立微观几何模型，用分子动力学方法模拟研究多孔层内的传递机理，基于参量传递技术实现多尺度关联。其次，通过电池性能测试，验证多尺度模型。最后，基于该模型探索膜电极多孔层微观结构对电池性能的作用规律。.通过上述研究，实现单电池内传递机理的多尺度关联，探索最优的多孔层微观结构，为其优化设计提供理论基础。

质子交换膜（PEM：Proton Exchange Membrane）燃料电池具有常温工作和快速启动等特点[1]，已成为国际上的研究热点。PEM燃料电池具有多尺度复杂结构，跨度从单电池及部件的宏观尺寸，到分别具有微米、亚微米和纳米多孔结构的气体扩散层、催化层和质子交换膜的微观尺度。电池性能与部件的宏观尺寸有关，还与多孔层的微观结构密切相关。目前成熟的宏观模型无法真实描述多孔层内的流动和传热，对整个单电池采用微观分析方法，计算量大，求解困难。.本课题针对上述问题，提出多尺度关联方法研究单电池内传递机理。采用了两种多尺度关联方案：(1)采用分形表征多孔层材料微观结构，建立微观理论模型，嵌入单电池宏观模型，实现多尺度关联；(2)采用图像三维重构技术建立微观几何模型，用分子动力学方法模拟研究多孔层内的传递机理，基于参量传递技术实现多尺度关联。其次，通过电池性能测试，验证多尺度模型。最后，基于该模型探索膜电极多孔层微观结构对电池性能的作用规律。.对第一种研究方案，本课题研究结果表明，曲线分形维数与饱和渗透率、有效热导率、氢有效扩散系数、氧有效双元扩散系数负相关，孔隙面积分形维数和孔隙率与饱和渗透率、氢有效扩散系数、氧有效双元扩散系数正相关；在亲水状态下，液相饱和度和憎水状态下的毛管压力与两个分形维数正相关，而在憎水状态下则呈现出负相关，并证实了憎水性的扩散层更利于燃料电池中液态水的排除。.对第二种研究方案，本课题研究结果表明，基于两点相关函数和孔隙率，结合高斯随机场法和模拟退火法来对多孔介质进行随机重构，比单一高斯场法生成多孔层的三维几何模型更接近实际情况；采用断层扫描后，插值建立三维几何模型也不失为一种较好的建模方案。而且，几何模型对后续的数值模拟影响较大。.通过以上模型探索了膜电极多孔层微观结构对电池性能的影响，本课题研究结果表明，孔隙面积分形维数越大，气体有效扩散系数增大，扩散层粘性阻力系数降低，伏安曲线上移，电池性能提高。而曲线分形维数越大，气体的有效扩散系数降低，扩散层粘性阻力系数增大，伏安曲线下移，电池性能降低。.项目组授权发明专利2项，发表国内重要期刊论文1篇，国外核心期刊论文5篇，国际会议论文3篇，其中SCI、EI收录5篇，出版专著1部，培养研究生2名。.通过上述研究，实现了单电池内传递机理的多尺度关联，探索了最优的多孔层微观结构，为其优化设计提供了理论基础。