【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，特别涉及一种燃料电池gdl三维微结构数值模型构建方法和系统。
技术介绍
1、现有气体扩散层gdl作为膜电极组件mea中尺寸最大的多孔介质，它在质子交换膜燃料电池pemfc中发挥着十分重要的作用，深入研究气体扩散层gdl的微观结构并了解其内部的传输特性对于提高质子交换膜燃料电池pemfc的性能和耐久性十分关键。
2、现有技术中，通常使用随机数值的方法来探究gdl气体扩散层的结构。具体包括：首先，通过采用先进实验表征技术对gdl的微观结构进行详细的观察，获取关键微结构参数。然后，基于关键微结构参数，通过随机数值的方法构建出与实际气体扩散层gdl微观结构相近的三维微结构数值模型。
3、上述现有技术存在的缺陷是：随机数值的方法仅观测微观结构，缺乏对于燃料电池宏观角度的分析，导致得到三维微结构数值模型不符合气体扩散层gdl的实际结构。
技术实现思路
1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种燃料电池gdl三维微结构数值模型构建方法和系统。
2、本专利技术实施例提供一种燃料电池gdl三维微结构数值模型构建方法，包括：
3、获取燃料电池中气体扩散层gdl的结构参数，根据结构参数生成随机的碳纤维结构数列；
4、对碳纤维结构数列进行收敛，得到碳纤维骨架，并计算碳纤维骨架的当前孔隙率；当前孔隙率与设定的目标孔隙率进行比较，将当前孔隙率等于目标孔隙率的碳纤维骨架作为气体扩散层gdl的三维微结构重构模型；
5
6、向初步气体扩散层gdl模型加入疏水剂模型，以改变初步气体扩散层gdl模型的质量分数，将质量分数等于设定的目标质量分数的初步气体扩散层gdl模型作为燃料电池的气体扩散层gdl三维微结构数值模型。
7、另外的，所述结构参数包括：孔隙率、域尺寸、纤维直径、纤维长度、黏合剂体积分数、各向异性系数。
8、另外的，所述各向异性系数为极化角θ和方位角具体包括：
9、将重叠的碳纤维骨架在三维空间中沉积，其主轴的投影包括：随机分布在x-y平面上的方位角极化角θ，所述极化角θ为碳纤维骨架与z轴的夹角；
10、极化角θ服从如下的概率密度函数：
11、
12、方位角服从如下的概率密度函数：
13、
14、总体概率分布为：
15、
16、其中，参数β为各向异性参数，为方位角的概率密度函数，为极化角θ的概率密度函数；
17、通过极化角θ和方位角的概率密度函数来控制碳纤维骨架的总体概率分布的各向异性。
18、另外的，所述三维重构微结构模型在加入黏合剂模型前通过3d tiff格式图片进行处理。
19、另外的，所述黏合剂模型为：碳纤维骨架通过闭合形态将黏合剂模型添加到纤维交叉处附近的小裂隙区域的基底上，利用盘型或者球形结构元素进行形态闭合，改变模型的体积分数。
20、另外的，所述疏水剂模型为聚四氟乙烯ptfe，通过附加闭合形态将添加到重构模型中，改变模型的质量分数。
21、另外的，一种燃料电池gdl三维微结构数值模型构建系统，包括：
22、坐标生成模块，用于获取燃料电池中气体扩散层gdl的结构参数，根据结构参数生成随机的碳纤维结构数列；
23、三维重构模块，用于对碳纤维结构数列进行收敛，得到碳纤维骨架，并计算碳纤维骨架的当前孔隙率；当前孔隙率与设定的目标孔隙率进行比较，将当前孔隙率等于目标孔隙率的碳纤维骨架作为气体扩散层gdl的三维微结构重构模型；
24、初步构建模块，用于向气体扩散层gdl的三维微结构重构模型加入黏合剂模型，以改变三维微结构重构模型的体积分数，将体积分数等于设定的目标体积分数的三维微结构重构模型作为初步气体扩散层gdl模型；
25、最终构建模块，用于向初步气体扩散层gdl模型加入疏水剂模型，以改变初步气体扩散层gdl模型的质量分数，将质量分数等于设定的目标质量分数的初步气体扩散层gdl模型作为燃料电池的气体扩散层gdl三维微结构数值模型。
26、本专利技术实施例提供的上述一种燃料电池gdl三维微结构数值模型构建方法和系统，与现有技术相比，其有益效果如下：
27、通过燃料电池中气体扩散层gdl的结构参数随机生成碳纤维结构数列，对碳纤维结构数列进行收敛，得到碳纤维骨架，将碳纤维骨架的当前孔隙率与设定的目标孔隙率进行比较，将当前孔隙率等于目标孔隙率的碳纤维骨架作为气体扩散层gdl的三维微结构重构模型。
28、其中，采用先进实验表征技术对gdl的微观结构进行观察获取关键微结构参数，只考虑了气体扩散层gdl微观结构的观测，没有从宏观角度考虑气体扩散层gdl的体积分数和质量分数对模型构建过程的影响，导致得到的气体扩散层gdl三维微结构数值模型与实际结构不符。
29、本专利技术通过向气体扩散层gdl的三维微结构重构模型加入黏合剂模型，改变三维微结构重构模型的体积分数，将体积分数等于目标黏合剂的体积分数的三维微结构重构模型作为初步气体扩散层gdl模型；再向初步气体扩散层gdl模型加入疏水剂模型改变初步气体扩散层gdl模型的质量分数，将质量分数等于目标疏水剂的质量分数的初步气体扩散层gdl模型作为燃料电池的气体扩散层gdl三维微结构数值模型，通过比较模型的体积分数和质量分数增强模型的真实度，得到的气体扩散层gdl三维微结构数值模型更加接近实际结构。
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1.一种燃料电池GDL三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种燃料电池GDL三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，所述结构参数包括：孔隙率、碳纤维直径、碳纤维长度、各向异性系数。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池GDL三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，所述各向异性系数为极化角θ和方位角具体包括：
4.如权利要求1所述一种燃料电池GDL三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，所述三维重构微结构模型在加入黏合剂模型前通过3D TIFF格式图片进行处理。
5.如权利要求1所述一种燃料电池GDL三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，所述黏合剂模型为：碳纤维骨架通过闭合形态将黏合剂模型添加到纤维交叉处附近的小裂隙区域的基底上，利用盘型或者球形结构元素进行形态闭合，改变模型的体积分数。
6.如权利要求1所述一种燃料电池GDL三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，所述疏水剂模型为聚四氟乙烯PTFE，通过附加闭合形态将添加到重构模型中，改变模型的质量分数。
7.一种燃料电池GD
...【技术特征摘要】
1.一种燃料电池gdl三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种燃料电池gdl三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，所述结构参数包括：孔隙率、碳纤维直径、碳纤维长度、各向异性系数。
3.如权利要求2所述的一种燃料电池gdl三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，所述各向异性系数为极化角θ和方位角具体包括：
4.如权利要求1所述一种燃料电池gdl三维微结构数值模型构建方法，其特征在于，所述三维重构微结构模型在加入黏合剂模型前通过3d tiff格式图...
【专利技术属性】
技术研发人员：张恒，张纪豪，申双林，郑克晴，辛成运，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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