[发明专利]一种质子交换膜燃料电池的多尺度关联方法

权利要求书

1.一种质子交换膜燃料电池的多尺度关联方法，其特征在于:所述方法包括对质子交换膜燃料电池中耦合的传质传热、电化学反应的复杂物理化学现象进行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建模、多尺度关联及模拟,包括以下步骤：

1)试验获取多孔层的微观结构数据和图像，并做分形和微观特征分析；

2)建立膜电极多孔层的微观理论模型，研究微孔内的传质传热机理；

3)建立单电池传递机理的多尺度关联模型，研究多孔层微观结构参数对电池性能影响。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的多尺度关联方法，其特征在于，在所述的步骤1)中，多孔层材料微观特征分析方法如下：

首先，通过压汞和扫描电子显微镜等试验，获取膜电极多孔层的扫描电子显微镜图像和微观特征数据；再采用试验数据结合分形分析的方法，研究多孔层的微观结构和分形特征，结合图像数据，研究盒维法、差分盒维法等分形维测定方法；最后根据标度值数组和盒子数数组，进行线性回归计算，得出分形维。

对各多孔层材料采集多组不同放大倍数的SEM图像，研究分形维计算方法的稳定性和准确性，优选出适用于各多孔层的分形维测定方法。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的多尺度关联方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，建立微观理论模型的方法如下：

首先采用分形理论，研究多孔材料的SEM图像。用分形维描述多孔层的几何形态及分布特征，建立多孔材料的分形理论模型；再结合多孔材料内的传质传热机理，理论分析物性参数与多孔材料结构及其微观结构参数的关系，利用微观结构的分形表征推导分形维和物性参数的解析表达式。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的多尺度关联方法，其特征在于，在所述的步骤3)中，建立多尺度关联模型的方法如下：

首先，建立质子交换膜燃料电池的宏观传递模型；其次，采用参量传递技术，将一系列膜电极多孔层微观理论模型嵌入单电池宏观模型中，借助专业计算流力学软件，研究电池内部的多尺度传递机理；接着，基于单电池测试仪，测试质子交换膜燃料电池单电池性能，与多尺度关联模型的结果对比，验证该模型；最后，基于理论模型与宏观模型的多尺度关联，探索多孔层材料的微观结构形态对电池性能的作用规律，找出最优的多孔层微观结构参数和形态。

5.根据权利要求1－4任一项所述的质子交换膜燃料电池的多尺度关联方法，其特征在于，所述关联方法的具体实现方法是：

步骤1)通过试验获取多孔层的微观结构数据和图像，并做分形和微观特征分析，包括基于试验原理和数据的分形分析和基于SEM图像的分形分析；

基于试验原理和数据的分形分析可以通过压汞试验来获取微观特征数据，具体方法如下：首先，对多孔层试样进行干燥处理，再切块；通过不同压力将水银压入切块的试样孔隙中，根据不同压力及所对应的进汞量绘制关系曲线，同时，得出不同孔隙大小与所占总孔隙体积比例的关系，然后，采用Washburn方程和孔径概率密度分布函数推导出分形维和压力及进汞量关系，结合试验数据，计算分形维，研究多孔层的微观结构和分形特征；

基于SEM图像的分形分析可以通过扫描电子显微镜来获取膜电极多孔层的扫描电子显微镜图像，然后结合图像数据，研究盒维法、差分盒维法、双毯法、基于离散分数布朗增量随机场的方法、变分法等分形维测定方法，首先，采用每种方法计算出标度值数组和盒子数数组，再对这两组数据取对数，进行线性回归分析，计算斜率，得出分形维，利用上述分形维数测定算法对PEM燃料电池多孔层材料进行分析，对测定结果进行分析，优选出最合适的方法，此外，对各多孔层材料采集多组不同放大倍数的SEM图像，研究分形维计算方法的稳定性和准确性，优选出适用于各多孔层的放大倍数；

步骤2)建立膜电极多孔层的微观理论模型，研究微孔内的传质传热机理，采用分形理论，研究多孔材料的SEM图像，由于理论分析中常用的毛细管束模型过于理想，具有一定局限性，引入分形理论来表征孔径分布和通道的弯曲，用分形维描述多孔层的几何形态及分布特征，建立多孔材料的分形理论模型：

首先，用弯曲率分形维D_T表征弯曲流动通道的长度L(λ)：

L(λ)=L0DTλ1-DT---(1)]]>

式中，λ表示流动通道的孔径，L₀表示流动的直线距离，D_T反映了当流体流经多孔介质时毛细管通道弯曲的程度。

再用孔隙面积分形维D_f表征孔径大于等于λ的孔隙累积分布函数：

N(≥λ)=(λmaxλ)Df---(2)]]>式中，λ_max为最大孔径。

利用步骤1)中优选的分形维数计算方法测定多孔层弯曲率分形维和孔隙面积分形维；

接着，结合多孔材料内的传质传热机理，理论分析物性参数与多孔材料结构及其微观结构参数的关系，利用微观结构的分形表征推导分形维和物性参数的解析表达式；

例如，基于分形表征推导了气体扩散层渗透率K的表达式如下：

K=1322-Df3+DT-DfL01-DTλmax1+DTφ[1-φ]+ϵ32RTπMμL01-DTP(4-2Df)φ2+DT-DfλmaxDT[1-φ]---(3)]]>

该理论模型的验证，可以结合上述理论模型实现物性参数预测，对比多孔介质传质传热研究中的经典理论模型，比较结果变化趋势的一致性，以及和试验测量结果比较，例如，对于气体扩散层渗透率预测模型，使用Konzeny-Carman方程来比较趋势，同时用实验测量值对比来验证预测效果；

步骤3)建立单电池传递机理的多尺度关联模型，研究多孔层微观结构参数对电池性能影响：

首先，建立PEM燃料电池的宏观传递模型，其次，将一系列膜电极多孔层微观理论模型嵌入单电池宏观模型中，实现微尺度到大尺度的多尺度转换，借助专业计算流体力学软件，研究电池内部的多尺度传递机理；

多尺度关联模型的验证，通过单电池测试仪测试PEM燃料电池单电池性能，并与多尺度关联模型的结果对比验证；

步骤4)基于理论模型与宏观模型的多尺度关联，探索多孔层材料的微观结构形态对电池性能的作用规律，找出最优的多孔层微观结构参数和形态。