《質子交換膜燃料電池中傳遞機理的分形多尺度關聯研究》是依託武漢理工大學，由石英擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：質子交換膜燃料電池中傳遞機理的分形多尺度關聯研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：石英
- 依託單位：武漢理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
質子交換膜燃料電池具有多尺度複雜結構，跨度從單電池及部件的巨觀尺寸，到分別具有微米、亞微米和納米多孔結構的氣體擴散層、催化層和質子交換膜的微觀尺度。電池性能與部件的巨觀尺寸和多孔層的微觀結構均密切相關。目前成熟的巨觀模型無法真實描述多孔層內的流動和傳熱，對整個單電池採用微觀分析方法，計算量大，求解困難。多尺度關聯自然成為研究單電池內傳遞機理的有效方法。本項目擬採用兩種多尺度關聯方案：1.採用分形表征多孔層材料微觀結構，建立微觀理論模型，嵌入單電池巨觀模型，實現多尺度關聯；2.採用圖像三維重構技術建立微觀幾何模型，用分子動力學方法模擬研究多孔層內的傳遞機理，基於參量傳遞技術實現多尺度關聯。其次，通過電池性能測試，驗證多尺度模型。最後，基於該模型探索膜電極多孔層微觀結構對電池性能的作用規律。.通過上述研究，實現單電池內傳遞機理的多尺度關聯，探索最優的多孔層微觀結構，為其最佳化設計提供理論基礎。
結題摘要
質子交換膜（PEM：Proton Exchange Membrane）燃料電池具有常溫工作和快速啟動等特點[1]，已成為國際上的研究熱點。PEM燃料電池具有多尺度複雜結構，跨度從單電池及部件的巨觀尺寸，到分別具有微米、亞微米和納米多孔結構的氣體擴散層、催化層和質子交換膜的微觀尺度。電池性能與部件的巨觀尺寸有關，還與多孔層的微觀結構密切相關。目前成熟的巨觀模型無法真實描述多孔層內的流動和傳熱，對整個單電池採用微觀分析方法，計算量大，求解困難。 本課題針對上述問題，提出多尺度關聯方法研究單電池內傳遞機理。採用了兩種多尺度關聯方案：(1)採用分形表征多孔層材料微觀結構，建立微觀理論模型，嵌入單電池巨觀模型，實現多尺度關聯；(2)採用圖像三維重構技術建立微觀幾何模型，用分子動力學方法模擬研究多孔層內的傳遞機理，基於參量傳遞技術實現多尺度關聯。其次，通過電池性能測試，驗證多尺度模型。最後，基於該模型探索膜電極多孔層微觀結構對電池性能的作用規律。 對第一種研究方案，本課題研究結果表明，曲線分形維數與飽和滲透率、有效熱導率、氫有效擴散係數、氧有效雙元擴散係數負相關，孔隙面積分形維數和孔隙率與飽和滲透率、氫有效擴散係數、氧有效雙元擴散係數正相關；在親水狀態下，液相飽和度和憎水狀態下的毛管壓力與兩個分形維數正相關，而在憎水狀態下則呈現出負相關，並證實了憎水性的擴散層更利於燃料電池中液態水的排除。 對第二種研究方案，本課題研究結果表明，基於兩點相關函式和孔隙率，結合高斯隨機場法和模擬退火法來對多孔介質進行隨機重構，比單一高斯場法生成多孔層的三維幾何模型更接近實際情況；採用斷層掃描後，插值建立三維幾何模型也不失為一種較好的建模方案。而且，幾何模型對後續的數值模擬影響較大。 通過以上模型探索了膜電極多孔層微觀結構對電池性能的影響，本課題研究結果表明，孔隙面積分形維數越大，氣體有效擴散係數增大，擴散層粘性阻力係數降低，伏安曲線上移，電池性能提高。而曲線分形維數越大，氣體的有效擴散係數降低，擴散層粘性阻力係數增大，伏安曲線下移，電池性能降低。 項目組授權發明專利2項，發表國內重要期刊論文1篇，國外核心期刊論文5篇，國際會議論文3篇，其中SCI、EI收錄5篇，出版專著1部，培養研究生2名。 通過上述研究，實現了單電池內傳遞機理的多尺度關聯，探索了最優的多孔層微觀結構，為其最佳化設計提供了理論基礎。
