基于孔隙尺度的燃料电池气体扩散层结冰研究

针对燃料电池用气体扩散层内液态水在孔隙尺度下的动态结冰过程,首次引入了一种介观模拟尺度方法——格子Boltzmann方法.首先,构造燃料电池用真实气体扩散层三维微孔隙结构;其次,通过一维半无限大空间凝固热传导、二维直角区域凝固和二维介质方腔凝固三组数值试验严格考察该凝固模型中液态水、固体冰和碳纤维不同热物理参数选取的精确性,证明引入的格子Boltzmann方法在研究燃料电池气体扩散层中结冰现象的有效性;最后,针对孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的二维气体扩散层在孔隙尺度下的结冰过程进行模拟研究.模拟结果表明,对应孔隙率分别为0.5、0.6、0.7、0.8和0.9时,气体扩散层孔中液态水完全结冰量纲一时间F_0分别为2.67、3.11、3.68、4.31和4.84,有自然对流情况下的结冰时间F_0比无自然对流时分别减少0、0、0.001、0.001和0.007.     

气体扩散层亲疏水特性对流体分布的预测

采用伪势两相格子玻尔兹曼方法（LBM）研究了非增湿条件下碳纸和碳布气体扩散层（GDL）的流体流动状态。通过随机方法和X射线扫描法构建了气体扩散层样本。为确保模型中表面张力和接触角计算的准确性,采用玻璃微珠模型进行验证,随后通过调整气体扩散层的亲疏水特性,分析流体在气体扩散层中流动的实时状态,得到了亲疏水特性对孔隙结构内水饱和度的影响规律。结果表明：疏水性气体扩散层中的水分布与亲水性气体扩散层中的水分布明显不同,较大的疏水性更有利于气体扩散层内水的排出;疏水性更强的气体扩散层显著提高了液态水进入气体扩散层的入口压力,导致催化剂层（CL）更容易受到水渗透的影响。     

质子交换膜燃料电池双极板与气体扩散层接触压力测量与模拟

质子交换膜(PEM)燃料电池的组装力和工作温度对双极板与气体扩散层(GDL)之间的接触压力有着重要影响,而双极板与气体扩散层之间接触压力的大小与分布对燃料电池的电化学性能至关重要。基于有限元软件ABAQUS开发了PEM燃料电池预紧力-温度顺序耦合程序,预测得到了不同螺栓预紧力和温度下双极板与气体扩散层间接触压力的大小和分布。有限元分析结果表明:接触压力随预紧力的增大而增大;燃料电池的工作温度对双极板与气体扩散层之间的接触压力有重要影响,接触压力随温度的升高而增大。采用压力传感膜技术试验测试了双极板与GDL之间的接触压力大小与分布,试验结果与模拟结果吻合较好。     

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。     

质子交换膜燃料电池用气体扩散层--碳纤维纸的制备

介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理,并通过分析气体扩散层材料的性能要求,设计了一条制备高性能碳纤维纸的技术路线.对制得的碳纸样品进行了显微结构和基本性能的表征,同时还将它应用于PEMFC的单电池中进行综合性能的测试,测试结果表明,按照这种技术路线制得的碳纤维纸在性能上基本能满足PEMFC的使用要求.     

基于图像处理的非织造布纤维取向分布测量

通过提取非织造布图像中纤维之间孔洞的边缘线取向来对纤维的取向分布进行测量.首先采集非织造布纤雏网图像,采用中值滤波去除图像中的噪声.然后选用一定的阈值将灰度图像转化为二值图像,利用数学形态学处理填充纤维内部孔洞.经图像标识依次提取各个孔洞子图像.最后根据孔洞边缘线的取向计算纤维的取向角,经统计得到纤维的取向分布.     

新型随机重构微孔隙介质模型与扩散特性

提出一种使用碳纸气体扩散层微孔隙结构的真实形态参数,构建三维微孔隙结构模型的算法.此方法通过扫描真实的扩散层结构获取结构的特性参数.通过确定三维微结构内纤维系统的中心坐标,循环构建N层纤维系统,达到需求的扩散层厚度,各层纤维系统由随机分布的重叠并相交的纤维结构构成;并将成功构建的模型转换为能够用于流体仿真的数据模型,对结构模型的渗透率进行了验证.结果表明,该方法生成的模型符合真实扩散层的渗透特性.最后,利用该模型对扩散层各项特性参数的变化关系进行了分析,结果可用于扩散层的结构优化设计,更大程度增强渗透传输特性.     

玄武岩纤维对超薄层SMA-10路用性能的影响分析

以纤维材料为研究变量,以超薄层SMA-10为研究对象,对沥青混合料高、低温性,抗滑性及水稳性能的研究分析,得出超薄层SMA-10对纤维稳定材料有一定选择性,玄武岩纤维材料优势明显高于木质素纤维.其中玄武岩纤维11μm～6 mm的DS高出木质素纤维21.3%,抗弯拉强度和弯拉应变是木质素纤维的1.2～1.3倍;抗滑性能玄武岩纤维11μm～6 mm最优,而水稳定性方面11μm～6 mm和17μm～6 mm相差不大.综合说明玄武岩纤维11μm～6 mm在超薄层中表现出的路用性能效果最佳.     

建筑环境中有害气体扩散及分布的分析

利用温差射流原理分析了有害气体泄漏时在大气中扩散的特点;在与实验结果对比的基础上,对某建筑小区环境下有害气体连续泄出的扩散迁移过程进行了初步数值计算．结果表明,泄出气体的主运动方向沿大气流动方向发生偏转,气体浓度分布区的范围和形状主要与大气主流风速的大小、建筑物阻挡作用和气体泄出速度等因素相关．     

纤维取向与打团效应对玄武岩纤维增强复合材料拉伸性能的影响

 基于Tsai理论,针对纤维体积掺加率为0.6%、0.9%、1.2%、1.5%,纤维取向角为0°、15°、30°、45°的玄武岩纤维-环氧树脂复合材料（BFRP）进行了轴向拉伸强度实验研究,并引入纤维均分系数和打团纤维含量表征玄武岩纤维在环氧树脂中的打团效应,建立打团纤维的细观力学模型与几何模型,对BFRP的拉伸强度进行了数值计算对比分析。结果表明,纤维体积掺加率一定时,BFRP的拉伸强度随纤维取向角的增大而减小,纤维取向角一定时,BFRP的拉伸强度随纤维体积掺加率的增大而增大;纤维均分系数随纤维体积掺加率的增大而减小,打团纤维含量随纤维体积掺加率的增大而增大;纤维打团效应的存在,导致了BFRP的纤维临界体积掺加率较纤维均分时有所增大,降低了玄武岩纤维对环氧树脂基材拉伸强度的增强幅度;考虑纤维打团效应的BFRP拉伸强度计算值与实验结果接近。     

质子交换膜燃料电池梯度扩散层水传输研究

为考察梯度扩散层排水能力,通过自制的测试装置测量了梯度扩散层液态水爆破压力和临界相饱和度;通过称重法测量了梯度扩散层液态水的残留量,并对梯度扩散层液态水过水流率和液态水残留量进行了理论计算.结果表明:与均匀扩散层比较,梯度扩散层能提高液态水排水量,降低液态水残留量.理论计算的两种结构梯度扩散层的液态水过水流率比均匀扩散层分别增加了152.82 %和171.85 %,液态水的残留量分别减少了23.73 %和35.42 %;由梯度扩散层组装的燃料电池比普通电池具有更好的性能.     

煤矿采场的瓦斯分布场重建技术

通过安全监控系统监测的瓦斯数据,研究采场瓦斯分布规律、重建瓦斯分布场,可有效实现对瓦斯爆炸事故的预防.针对煤矿井下采场瓦斯监测数据相对有限的问题,进行了基于克里金插值的瓦斯分布场重建技术研究.对采煤工作面的瓦斯浓度实测数据进行了分布特性的分析,对比了常用空间插值方法的特点,确定了基于克里金插值方法的瓦斯分布重建方法.根据地质统计学的基本原理,先对获得的原始数据进行预处理,并对实验变异函数进行计算,绘出变异函数分布图.最后利用克里金插值的3种常用理论模型对实验变异函数进行拟合,并用交叉检验的方法对3种模型拟合的效果进行检验.结果显示基于克里金插值方法实现瓦斯分布场重建技术具有令人满意的效果.     

水下油气溢漏事故污染物输移预测模型

为评估海底油气管道泄漏、油气井井喷等水下事故的污染风险及其损害影响,及时制定科学应急反应决策,本文基于拉格朗日积分方法建立水下油气溢漏事故污染物输移预测模型.该模型能够模拟污染物在密度和流速分层的真实水下环境中的水流卷吸、湍流分散、溢油溶解、油气共同输移与分离输移等动态行为.进行了水下环境的浮力射流、气泡羽流以及油气分离输移等实验的数值模拟验证,计算结果与实验数据基本吻合.实际水下溢油试验结果表明,溢油在水下环境中的输移扩散过程的模拟结果与现场监测数据基本符合.     

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。     

兰州市榆中县城区重气示踪试验的初步分析

“城市气象/示踪试验”在中国西北甘肃省榆中县的城市区域内(3 km×3 km)构建了一个精细化的观测网,对气象场和示踪物浓度场进行了高时空分辨率的观测。利用观测资料初步分析了城区内流场及示踪物的输送扩散特征。结果表明：受不同尺度运动相互作用的影响,城区流场十分复杂;城市冠层顶风场与示踪物浓度场有较好的对应,即浓度高值区基本出现在主导风向下风方向±20?的扇形区域内且呈现出近似为正态分布的特征,同时地面和城市冠层顶示踪物的浓度分布存在明显差异。     

动叶片重叠系数对油气混输泵输气性能的影响

利用Fluent流场模拟软件,通过对轴流式油气混输泵不同的动叶片重叠系数下不同含气率进行流场模拟,得出其动叶、静叶压力场及速度分布,进而得到不同工况下整机效率及扬程曲线.经分析动叶片重叠系数m>1的整机效率明显高于m=1的整机效率.两者的相对扬程都随着含气率的增大而降低,在相同的含气率下,重叠系数m>1的相对扬程大于m=1的相对扬程,在相对扬程相同时,m>1的含气率大于m=1的含气率.由此表明选用重叠系数大于1时可以提高整机性能.     

聚酯复丝中纤维的强伸度及其分布

测定了聚酯复丝内各根纤维和一根纤维的线密度、强度和断裂伸长，并用Weibull分布模型分析了复丝内各根纤维和一根纤维的强度分布。结果表明：复丝内各根纤维间和一根纤维的断裂强度不均基本相同，都小于断裂伸长不均。聚酯纤维的强度较好地符合Weibull分布，且也发现存在变化现象。     

Performance improvement for air-cooled open-cathode proton exchange membrane fuel cell with different design parameters of the gas diffusion layer

Air-cooled open-cathode LTPEMFC (AO-LTPEMFC) has been developed as a new power source for the portable power supply. The effect of the gas diffusion layer (GDL) on AO-LTPEMFC operation in challenging ambient air conditions was investigated in the present study. The effect of the content of polytetrafluoroethylene (PTFE) on the substrate layer and microporous layer (MPL), the thickness of GDL and the pulse width modulation (PWM) of the fan on cell performance as well as the cathode outlet surface temperature distribution were investigated. The polarization curves, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and dynamic voltage test were used to correlate the structural characteristics of GDL with heat dissipation, oxygen transport and water management in AO-LTPEMFC. The results showed that GDL with appropriate PTFE content in the substrate layer and MPL could significantly optimize cell performance. In addition, the thickness of GDL also had a certain impact on the mass and heat transfer of the fuel cell, while the water management in GDL was affected by PWM of the fan, simultaneously. Combined with the practice process, the optimum values of the substrate layer PTFE content, MPL layer PTFE content and thickness of GDL were identified to be 10%, 40%, and 200 μm, respectively.