[发明专利]氢燃料电池层间裂缝多属性重构方法

说明书

本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体为氢燃料电池层间裂缝多属性重构方法，使用CT扫描方法构建层间裂缝几何结构模型，利用EDS方法对裂缝表面进行元素扫描，建立裂缝表面组分模型，然后将几何结构模型和组分模型匹配在一起，构建层间裂缝多属性模型。本发明提供的氢燃料电池层间裂缝多属性重构方法，通过在裂缝面上钻取非对称孔，并喷涂钛金属，可以将CT扫描得到的层间裂缝面的几何结构数据和EDS扫描得到的组分分布数据空间的位置匹配起来，从而实现CT扫描和EDS扫描的联合分析，不仅能够分析层间裂缝的几何结构，还能给出相应位置点的组分信息。

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体为氢燃料电池层间裂缝多属性重构方法。

背景技术

氢燃料电池是一种以氢气为输入燃料，基于氧化还原原理，构建的化学电池。氢燃料电池相比于锂电池，其能量密度更高、能量补充速度更快、寿命周期更长、废电池对环境的二次污染更小，是新能源汽车的动力电池类型之一。

图1是氢燃料电池结构示意图，膜电极为薄膜状结构，膜电极有2个面，其中靠近阳极的一面为膜电极P面，靠近阴极的一面为膜电极N面；阳极扩散层靠近膜电极的一面为阳极扩散层的M面，阳极扩散层靠近集流板的一面为阳极扩散层的C面；阴极扩散层靠近膜电极的一面为阴极扩散层的M面，阴极扩散层靠近集流板的一面为阴极扩散层的C面。

氢燃料电池由膜电极(电解质层和催化层)、扩散层和集流板构成，其中集流板上有协助输运氢气和氧气的导流槽。氢燃料电池运作过程如下：首先通过导流槽向燃料电池加注氢气，然后氢气通过扩散层进入催化层，之后氢气进入催化层，而后氢气在催化层作用下分解为氢离子和一个电子，然后氢离子在化学势驱动下穿过电解质层，而电子则通过外电路传输,氢离子到达阴极催化层后在催化剂作用下与氧气发生反应，并生成水，最后水在扩散层协助下通过导流槽排除。

通常燃料电池膜电极和扩散层之间靠应力紧密贴合在一起，然而随着燃料电池的使用，在热应力、外部应力破坏条件下，膜电极和扩散层之间会出现层间裂缝。层间裂缝的出现对燃料电池具有不良影响：首先层间裂缝导致膜电极和扩散层接触不良，增加了燃料电池的内阻；其次层间缝会蓄存反应生成水，在膜电极和扩散层之间形成一道“水墙”，阻挡了氧气的通道，降低了燃料电池的性能。

层间裂缝对燃料电池中水和氧气的输运具有重要影响。为了分析燃料电池的抗热应力和机械应力性能，需要分析抗热应力和机械应力引起的层间裂缝对燃料电池性能的影响。为了模拟分析层间缝对水、氧流动的具体影响，需要构建层间缝的结构模型，同时需要给出层间缝表面组分分布。

裂缝由2个面相夹而成，而燃料电池层间缝一侧为膜电极，另外一侧为扩散层。扩散层通常包含亲水性的碳纤维材料和疏水性的四氟乙烯材料，因此要分析层间裂缝中水、氧气的输运特征，不仅要建立层间裂缝的几何结构模型，同时要构建层间裂缝的表面组分模型(组分指表面化学成分分布)，以便分析润湿性对流动的影响。但是目前尚无针对燃料电池层间缝的重构方法。目前针对岩石中裂缝的重构方法，无法分析燃料电池层间裂缝的表面组分分布。

发明内容

针对上述技术问题，为了重构燃料电池层间裂缝几何结构和组分分布双重属性模型，本发明提供氢燃料电池层间裂缝多属性重构方法，采用CT扫描和EDX元素分析方法，构建燃料电池层间裂缝模型。

采用的技术方案为：

氢燃料电池层间裂缝多属性重构方法，包括以下过程：

使用CT扫描方法构建层间裂缝几何结构模型，利用EDS方法对裂缝表面进行元素扫描，建立裂缝表面组分模型，然后将几何结构模型和组分模型匹配在一起，构建层间裂缝多属性模型。

具体步骤如下：

1.制作膜电极定位孔