基于分形模型的PEM燃料電池擴散層物性研究.pdf

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

2、雜結構方面，非常有效。本文應用分形理論，以擴散層為研究對象，采用壓汞試驗和掃描電子顯微鏡(SEM：ScanningElectronMicroscope)灰度圖像研究擴散層的分形特性，利用分形維數(shù)來描述擴散層的微結構特征，進一步對擴散層的物性參數(shù)進行了較深入的研究，主要研究成果概括如下： 對30wt％PTFE處理前后的TGP-H-060型碳纖維紙進行壓汞試驗，測量其孔徑分布。運用分形幾何方法對壓汞的試驗數(shù)據(jù)進行分析，結果表明，PE

3、M燃料電池擴散層材料試樣的孔隙結構分形特性非常明顯，在測得的孔徑范圍內具有標度不變性，可以考慮用分形加以分析，這是本文研究工作的基礎。 針對PEM燃料電池擴散層結構，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)的測定方法(盒維法、差分盒維法、雙毯法、基于離散分數(shù)布朗增量隨機場的方法、變分法)。因為盒維法最簡單，計算結果準確、速度快，加之不失

4、一般性，所以選擇盒維法作為PEM燃料電池擴散層分形維數(shù)的測定方法，并運用該法測定了用于刻畫擴散層微結構的曲線分形維數(shù)和孔隙面積分形維數(shù)。 在分析國內、外研究進展的基礎上，推導了PEM燃料電池擴散層滲透率、有效熱導率和有效擴散系數(shù)與分形維數(shù)之間的函數(shù)關系式。通過確定多孔介質擴散層微結構的曲線分形維數(shù)、孔隙面積分形維數(shù)及其最小、最大孔徑等參數(shù)，就可預測相應的物性參數(shù)。此外，還研究了兩個分形維數(shù)和孔隙率對這些物性參數(shù)的影響。