基于分形模型的PEM燃料電池?cái)U(kuò)散層物性研究.pdf

1、在質(zhì)子交換膜(PEM：ProtonExchangeMembrane)燃料電池中，氣體擴(kuò)散層(GDL：GasDiffusionLayer)是電極的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)對(duì)電池的綜合性能有重要的影響。擴(kuò)散層的物性參數(shù)(如滲透率、有效熱導(dǎo)率和有效擴(kuò)散系數(shù)等)與其微結(jié)構(gòu)特征有密切聯(lián)系，是進(jìn)行模擬計(jì)算的重要基礎(chǔ)。研究表明，擴(kuò)散層具有隨機(jī)性、無序性和自相似性等分形特性。分形幾何已經(jīng)廣泛應(yīng)用到涉及無序結(jié)構(gòu)和多尺度物理問題的工程中，尤其在表征復(fù)

2、雜結(jié)構(gòu)方面，非常有效。本文應(yīng)用分形理論，以擴(kuò)散層為研究對(duì)象，采用壓汞試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡(SEM：ScanningElectronMicroscope)灰度圖像研究擴(kuò)散層的分形特性，利用分形維數(shù)來描述擴(kuò)散層的微結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步對(duì)擴(kuò)散層的物性參數(shù)進(jìn)行了較深入的研究，主要研究成果概括如下： 對(duì)30wt％PTFE處理前后的TGP-H-060型碳纖維紙進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，測(cè)量其孔徑分布。運(yùn)用分形幾何方法對(duì)壓汞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，PE

3、M燃料電池?cái)U(kuò)散層材料試樣的孔隙結(jié)構(gòu)分形特性非常明顯，在測(cè)得的孔徑范圍內(nèi)具有標(biāo)度不變性，可以考慮用分形加以分析，這是本文研究工作的基礎(chǔ)。 針對(duì)PEM燃料電池?cái)U(kuò)散層結(jié)構(gòu)，引入曲線分形維數(shù)和孔隙面積分形維數(shù)?；?0wt％PTFE處理前后TGP-H-060型碳纖維紙的掃描電子顯微鏡圖像，研究了5種分形維數(shù)的測(cè)定方法(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)。因?yàn)楹芯S法最簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、速度快，加之不失

4、一般性，所以選擇盒維法作為PEM燃料電池?cái)U(kuò)散層分形維數(shù)的測(cè)定方法，并運(yùn)用該法測(cè)定了用于刻畫擴(kuò)散層微結(jié)構(gòu)的曲線分形維數(shù)和孔隙面積分形維數(shù)。 在分析國內(nèi)、外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了PEM燃料電池?cái)U(kuò)散層滲透率、有效熱導(dǎo)率和有效擴(kuò)散系數(shù)與分形維數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式。通過確定多孔介質(zhì)擴(kuò)散層微結(jié)構(gòu)的曲線分形維數(shù)、孔隙面積分形維數(shù)及其最小、最大孔徑等參數(shù)，就可預(yù)測(cè)相應(yīng)的物性參數(shù)。此外，還研究了兩個(gè)分形維數(shù)和孔隙率對(duì)這些物性參數(shù)的影響。