碱性阴离子交换膜燃料电池实验及数值模拟

针对碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)水管理开展了实验及数值模拟工作,使用Tokuyama A201膜制备并组装了实验室规模的AEMFC单电池,建立了一个基于质量守恒、组分守恒及电荷守恒的碱性阴离子交换膜燃料电池二维稳态等温模型,用于研究电池性能及内部水传输机理。通过模型计算分析电池性能及内部水传输和水分布情况,结果表明:计算预测得到的特定参数下的极化曲线趋势与单电池测试的数据吻合良好;电流密度增加会增大水从阳极到阴极的净通量,有利于阴极反应的进行;电池两极均需进气加湿,提高阳极进气湿度可以加快水从阳极到阴极的净迁移,在较高电流密度下阴极进气湿度过低对电池性能影响较大。     

燃料电池在机械应力下的工作参数分布

针对质子交换膜燃料电池在机械应力下的气-液两相流进行数学模拟研究,建立了一个二维质子交换膜燃料电池非等温两相流多物理场稳态模型. 该模型综合考虑了固体力学、电化学、传热传质以及气液两相流的物理因素,研究了质子交换膜燃料电池在机械应力作用下的两相流分布.计算结果显示：在机械应力作用下,燃料电池肋板下方的多孔介质应力明显大于流道下方的应力,且在肋板和流道交界处下方的气体扩散层会产生明显的应力集中现象;随着电流密度的增加,阴极相对湿度逐渐增加,但阳极相对湿度会减小;液态水仅在阴极产生且主要在肋板下方的多孔介质内形成,其在阴极的饱和度随电流密度的增加而不断增加.     

重构全钒液流电池碳毡力学仿真及孔尺度模拟

为探究全钒液流电池(VRFB)碳毡微观尺度下承受压力的位移变形并量化其对传输特性的影响,应用X射线断层扫描(XCT)微观重构技术、有限元方法(FEM)和孔尺度模拟技术(PSM),考虑碳纤维间受压缩的接触摩擦及挤压弯曲,重构碳纤维微观结构,研究了碳纤维不同压缩比3D(X,Y和Z方向)位移分布,并量化位移变形对微结构传输特性的影响。结果表明:随着压缩比增大到30%,Z方向位移变化最为明显,计算域A位移变化为:-59～+5μm,计算域B位移变化为:-145～+16μm,钒离子XY方向扩散系数减小15.4%,Z方向扩散系数减小24.2%,XY方向电导率升高112.5%,Z方向电导率增大113.3%,模拟结果与实验结果趋势较吻合,可以较好模拟预测碳毡电导率计算域尺寸为:X/Y=300～400μm,Z=200～400μm。     

高温质子交换膜燃料电池催化层孔尺度模拟

为了研究磷酸在高温质子交换膜燃料电池催化层中再分布对电极性能的影响,使用聚焦离子束电子扫描显微镜对自制的扩散电极成像,重构得到了三维的催化层几何模型;采用多弛豫时间格子玻尔兹曼模型对磷酸在催化层的迁移行为进行仿真,模拟得到递减型和准均匀型2种不同的磷酸分布形式;采用孔尺度模型求解不同条件下的电极传输性质。结果表明在磷酸含量较低时,准均匀型的磷酸分布具有稍优的电化学活性表面积和稍差的氧气和水蒸气有效扩散系数;在磷酸含量较高时,2种分布的电化学活性表面积相似,但是准均匀型分布具有更好的氧气和水蒸气有效扩散系数。     

质子交换膜燃料电池气体扩散层制备过程材料表征和孔尺度模拟计算

为研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）气体扩散层的制备方法对其结构和性能的影响,将聚丙烯腈基碳纤维原纸作为前驱体,以酚醛树脂作为粘结剂,采用热压、碳化、石墨化等工艺制成气体扩散层,考察在原纸浸渍的过程中,不同质量分数酚醛树脂乙醇溶液对气体扩散层结构和性能的影响。利用扫描电子显微镜、汞侵入法、四探针法等进行性能表征,并利用X射线断层扫描技术获得气体扩散层的三维结构,通过孔尺度模拟进行性能计算。结果表明,采用实验表征方法和模拟计算方法可以更加准确和清楚地对气体扩散层性能进行表征,在使用15%质量分数酚醛树脂乙醇溶液浸渍原纸时,可以得到与商用气体扩散层相等的78%孔隙率,同时将电阻率降低了30%左右。     

基于金字塔池化网络的质子交换膜燃料电池气体扩散层组分推理方法

针对质子交换膜燃料电池气体扩散层(gas diffusion layer composition,GDL)形貌划分与制备工艺改进问题,提出了一种基于金字塔池化网络(pyramid scene parsing network,PSPNet)与多层感知器(multi-layer perception,MLP)的气体扩散层组分识别与比例推理方法：首先将带标签的气体扩散层扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)图片输入神经网络,得到特征图;得到的图像特征层进入金字塔池化模块后,获取SEM图像的深层和浅层特征;随后将深层和浅层特征图层融合输入全卷积网络(fully convolutional network,FCN)模块,得到预测图像;最后统计各个组分上的像素点比例,通过MLP完成组分比例推理。结果表明：所提方法组分识别像素准确率达81.24%;在5%偏差范围内,比例推理准确率为88.89%。该方法解决了气体扩散层多组分无法区分、比例无法获知的问题,可有效应用于气体扩散层的质检、数值重构以及制备工艺改进。     

基于纤维面内取向分布的气体扩散层重构与传输性能分析

提出一种重构燃料电池气体扩散层(GDL)微观结构的新方法，用于研究纤维面内取向分布对GDL传输性能的影响。利用XCT扫描获取GDL二维切片图进行阈值分割得到GDL三维模型，通过纤维追踪技术区分纤维与粘接剂，得出纤维面内取向概率分布、纤维骨架局部孔隙率、纤维与粘接剂组分比例等信息作为控制因素，重构更加准确的GDL纤维骨架，并通过形态学处理添加粘接剂得到GDL孔尺度模型。对1 000 μm×1 000 μm×200 μm的GDL计算域进行性能模拟计算，分析不同纤维取向分布对GDL的气体传输、热电传导性能的影响。由于碳纸在制造中大部分纤维顺着造纸机运行方向(纵向)排列，不同排列方式严重影响GDL在纵向、横向和穿面方向(TP方向)的性能。研究结果表明：随着纤维纵向分布集中程度提高，气体传输与热电传导性能在纵向提高，但在横向降低；对于TP方向，本研究中的纤维集中于纵向的一致性系数为0.029的取向分布时，GDL模型性能较优；电导率及热导率对纤维取向分布比气体扩散率更敏感。