[發明專利]一種質子交換膜燃料電池氣體擴散層材料比例預測方法

有效

• 申請號: 202210595714.6
• 申請日: 2022-05-30
• 公開（公告）號: CN114677677B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 隋俊友;王虎;雷志平
• 申請（專利權）人: 南京友一智能科技有限公司
• 主分類號: G06V20/69
• 分類號: G06V20/69;H01M8/04298;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 南京鑫之航知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32410
• 代理人: 汪慶朋

本發明公開了一種質子交換膜燃料電池氣體擴散層材料比例預測方法，屬于質子交換膜燃料電池技術領域，包括以下步驟：組分識別步驟；推理預測步驟；該質子交換膜燃料電池氣體擴散層材料比例預測方法，通過掃描電鏡與CT斷層掃描方法，只能肉眼觀測質子交換膜燃料電池氣體擴散層微結構，無法量化表達組分分布，本發明將計算機視覺應用于掃描電鏡圖像，借助神經網絡更加精準地分析了氣體擴散層掃描電鏡圖像中的各組分分布，解決了掃描電鏡方法與CT斷層掃描方法均無法獲知氣體擴散層中各組分比例的問題，通過多層感知機推到二維到三維信息的映射關系，根據圖像推導氣體擴散層組分比例信息，有利于數值重構更加精準的三維模型。

技術領域

本發明屬于質子交換膜燃料電池技術領域，具體涉及質子交換膜燃料電池氣體擴散層材料比例預測方法。

背景技術

因為石油等化石能源緊缺以及環境保護的迫切要求，新能源汽車成為了世界各大汽車廠商及研發機構的研究熱點，其中燃料電池技術是很有應用前景的一種清潔能源轉換技術，由于無需經過燃料燃燒而直接將燃料中的化學能轉化為電能，其能量轉換效率不會受到卡諾循環限制，理論上總能量利用效率大于60%。

燃料電池主要包括堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池（Polymer electrolytemembrane fuel cell），磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，其中商業化最成功的是質子交換膜燃料電池，PEMFC 汽車使用氫氣為輸入燃料，反應輸出只有純凈水，具有工作無噪音、無污染、加注燃料時間短（3-5 分鐘）及行駛里程長（500-700 公里）等優點。

PEMFC 最核心部件之一是電堆（動力源），主要包括緊固螺栓及端板、集流板、雙極板（Bipolar plate, BPP）、墊圈、氣體擴散層（Gas diffusion layer, GDL）、微孔層（Micro-porous layer, MPL）、催化層（Catalyst layer, CL）和質子交換膜（Polymerelectrolyte membrane, PEM），其中PEM、CL、MPL 和GDL 組合在一起統稱為膜電極組件（Membrane electrode assembly, MEA）；燃料電堆根據功率大小由不同數量單體電池組裝而成，單電池工作原理見圖1 所示。

氣體擴散層 (Gas Diffusion Layer; GDL)作為質子交換膜燃料電池最重要的零部件之一，主要負責傳輸反應氣體、導出電子、排出生成物水；氣體擴散層是由碳纖維、粘接劑、疏水劑通過高溫石墨化制備而成，各組分的比例以及在碳紙中的分布情況決定了氣體擴散層孔隙結構、連通性，從而影響氣體擴散層的導氣，導電與傳熱等過程，并進一步影響整個膜電極乃至燃料電池的性能；肉眼可以界定粘接劑與碳纖維之間的界限，但是無法獲知國外氣體擴散層生產時的比例信息；在碳紙國產化過程中，推理氣體擴散層組分比例對碳紙生產廠家和科研工作者都十分重要，只有明晰了高品質氣體擴散層中各材料組分的含量，才能準確調整氣體擴散層生產工藝，并重構氣體擴散層仿真模型，計算氣體擴散層性能，從而提高國產氣體擴散層生產工藝水平。

目前并沒有準確推理氣體擴散層各材料比例的方法，人們只能靠觀察SEM圖微結構，來人為統計高端氣體擴散層各組分材料比例為多少，當前有兩種獲知氣體擴散層微結構的方法。

當前對于氣體擴散層微結構實驗研究有兩種主流方法：掃描電鏡（SEM）和 X射線斷層掃描（XCT），只能做到對氣體擴散層微結構的觀測，都做不到對氣體擴散層各類組分質量比例的推理，最終都靠人眼來區分不同成分進行統計。

SEM直接觀測

SEM由子槍發射出來的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過聚光鏡將之會聚成一束尖細、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內的樣品上；透過樣品后的電子束攜帶有樣品的結構信息。