中國儲能網(wǎng)訊：2021年由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務廳、長沙市人民政府、中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會聯(lián)合主辦，100余家機構共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨首屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新儲能、新動力、新發(fā)展”。
會后，為了能讓參會代表有更深入的行業(yè)交流，小編經(jīng)過演講專家本人同意和審核，將演講專家的速記整理如下：
張恒：我來自武漢理工大學材料與工程學院，我的匯報的題目是《燃料電池多尺度模擬的工程化應用》，可能會偏理論一點。
這是我匯報的提綱，首先是簡單介紹一下武漢理工關于質子交換膜燃料電池的發(fā)展狀況。第二是多尺度模型的使用工具，第三是微觀尺度下的氣體擴散層的微觀結構重構。我是使用Toray和Freudenberg兩種比較常用的商用GDL材料作為舉例，講解一下微觀結構重構過程。第三是在宏觀尺度上兩相流模擬分析，最后一點做總結。
首先講解一下武漢理工關于質子交換膜的發(fā)展狀況，2010年的時候我們可以制造出10瓦的小型的燃料電池，在2003年的時候我們就制造出了燃料電池小型的汽車，以及5千瓦的燃料電池電堆，在2004年的時候制造出了楚天一號燃料電池汽車，以及25千瓦的燃料電池發(fā)動機。2007年的時候我們可以產(chǎn)生MEA膜電極組建的量產(chǎn)線，2009年我們制造出了楚天二號的小型巴士，以及燃料電池的備用電源的示范基地。 在2012年的時候就可以實現(xiàn)對MEA膜電極組建的自動化的生產(chǎn)線，2014年的時候生產(chǎn)出25千瓦燃料電池的電堆。
這個是25千瓦的水冷電堆，使用了金屬雙極板，體積功率的2.5千瓦每升，尺寸是408×110×220毫米，作為一個燃料電池汽車的供冷裝置。
關于50千瓦燃料電池電堆作為巴士的動力發(fā)生器，現(xiàn)在運行已經(jīng)超過了6500公里，這個數(shù)據(jù)是前幾年的，最近的數(shù)據(jù)里程遠遠超過這個數(shù)字。
接著簡單介紹一下燃料電池的結構，主要是由雙極板以及膜電極組件構成。我的研究重點是MEA，膜電極組件，它是7層結構組成的核心結構，主要包括陰陽兩極的氣體擴散層，陰陽兩極的微孔層，陰陽兩極的催化層，以及中間的核心結構，質子交換膜。關于擴散層，它的尺寸大小大概是100到300微米，催化層厚度大概是5到20個微米。 擴散層是多孔介質里面厚度最大的，主要的成份是碳纖維的構成，直徑8到10個毫米。中間的微孔層由碳顆粒構成，催化層主要的成份是由碳載鉑，碳的尺寸大小大概30個納米，鉑的尺寸大小在3個納米左右。（圖）這個是微觀結構的示意圖。
我們使用的是試驗和模擬雙向工具，對質子交換膜燃料電池進行分析。從左邊的10的負10次方這么一個量級，到右邊的10的2次方的數(shù)量大小，從原子尺度一直到鉑數(shù)，碳黑、團聚物、催化層以及中間的質子交換膜擴散層、單電池、燃料電池電堆。（圖）我們可以綠色的框是微米，比微米級更小的微觀尺度。右邊在單電池和燃料電池電堆的尺度，這個是宏觀的尺度。在實驗室我們使用了一些試驗設備來對它的結構進行微觀的分析。在微觀尺度下主要使用的工具是PSM、LBM，PSM是孔尺度的模型，LBM就是格子玻爾茲曼方法這么一個微觀尺度的分析模擬工具。
使用輔助的模型的計算工具，可以計算出微觀尺度下的有效氣體擴散率，我們還可以深入的了解內(nèi)部的耦合傳輸現(xiàn)象。
第三點利用微觀的結構最后實現(xiàn)對質子交換膜燃料電池性能優(yōu)化提升。
這個是多尺度的計算方法，首先在左邊我們使用微觀的試驗工具，對它進行試驗的表征，然后再利用微觀的結構重構，得到精確的比較符合實際情況的真實結構，再利用內(nèi)部的傳輸模擬，孔尺度的模型的計算軟件，將宏觀和微觀種尺度進行耦合。最后我們利用試驗工具對模型的結論得到驗證，這個是大概的宏觀尺度相結合的大體過程。
以兩種比較常用的商業(yè)擴散層的材料為舉例。左邊的是toray 第二個是Freudenberg，這兩種比較常用的商業(yè)GDL，我們可以通過SEM的圖，可以比較直觀看出Toray的擴散層的擴散層碳纖維的結構比較直，而Freudenberg呈現(xiàn)于卷曲的，成束狀的，展現(xiàn)出非常明顯的各向同性，Toray相比Freudenberg有更大的孔直徑。
這個是在微觀結構的層次下對它重構的方法。首先我們在模擬工具里面輸入孔隙率，域值的大小，碳纖維的直徑以及長度，添加體積分數(shù)以及各向異性參數(shù)，隨即重構出內(nèi)部的碳纖維分布，產(chǎn)生碳纖維之后利用目標的孔隙率，重構出比較真實的擴散層的微觀結構。第二種方法使用試驗重構，XCT的試驗數(shù)據(jù)，得到試驗數(shù)據(jù)之后利用分析軟件，在里面添加一些添加物，最常見的就是粘合劑和疏水劑，最終得到比較完整的GDL的材料。
這個是關于toray的重構大體方法，我們使用這一個計算公式帶入到模擬程序里面進行重構。我們是在1、5、10、25這四個不同各向異性參數(shù)之后，重構內(nèi)部的真實碳纖維的重構結構。然后我們可以看出當各向異性參數(shù)為1的時候，碳纖維呈現(xiàn)各向同性，隨著各向異性參數(shù)數(shù)值的增加，越來越多的碳纖維呈現(xiàn)在平面之內(nèi)，展現(xiàn)出越來越明顯的各向異性。
使用模擬的工具重構出來的，我們要驗證重構是否準確和精確性，最常用的使用兩種驗證手段，就是孔隙率以及內(nèi)部的孔尺度的分布。紅色曲線就是平均的孔隙率，綠色的線就是在碳纖維煤層上面的孔隙率。右邊是Toray這個材料內(nèi)部的真實孔徑分布。Toray平均的孔隙大小大概35個微米，最小是8，最大的是86微米，中位數(shù)大概是34微米左右。
最后我們重構出完整的擴散層的真實結構，首先重構出真實的碳纖維，然后再添加粘合劑，然后添加PTFE，得到真實的Toray微觀的結構。
關于Freudenberg，這種方法和前面的方法略有不同，首先利用XCT的數(shù)據(jù)，得到比較準確的微觀大體結構。然后利用結構在我們的分析軟件里面分析出它的微觀結構，同樣的驗證也是使用孔隙率和孔徑的大小，和toray相比，F(xiàn)reudenberg孔徑更小，大概是toray的一半左右，孔徑大概是20個微米。
Freudenberg最后的GDL的材料，首先重構出微觀的碳纖維，之后再重構出內(nèi)部的添加物，疏水劑，再得到最終的Freudenberg的微觀結構。和Toray商用的GDL不一樣，由于他們的制作方法的不一樣，F(xiàn)reudenberg內(nèi)部是沒有使用粘合劑的，所以添加PTFE，得出最后的完整的微觀結構。
我們在使用之前所講到的孔尺度模型，以及格子玻爾茲曼方法來計算傳輸參數(shù)，全部利用微觀的模型仿真工具擬合出來的結論，與試驗的數(shù)據(jù)進行對比驗證。
最后是宏觀兩相模型的分析，圖A代表的是單電池里面的真實結構，右邊經(jīng)過了在電堆的裝備過程中產(chǎn)生了GDL的形變，是真實的結構，右邊是工作以及幾何參數(shù)值的大小。
將兩種不同的氣體擴散層材料重構出來之后，將材料參數(shù)帶入到模型當中，可以使用兩種不同的氣體擴散層的曲線，在這里可以明顯看出來使用Freudenberg的GDL材料，燃料電池在高的電流密度情況下展現(xiàn)出更好的性能，從側面反應出Freudenberg相比Toray比較適合在高電流密度的情況下工作，產(chǎn)生的液態(tài)水比較多的情況，展現(xiàn)出比toray更好的工作性能。
將兩種不同的GDL的材料帶入到宏觀兩相模型中，得到內(nèi)部的飽和度的分布，以及中子成象圖，左邊是模擬，右邊是試驗，對比進行驗證。我們可以看到使用Toray和使用Freudenberg，水的分布明顯不一樣。使用Toray飽和度最大值出現(xiàn)在催化層下面，飽和度大概可以達到0.4左右，使用Freudenberg GDL材料，飽和度最大值出現(xiàn)在流道下放的擴散層里面，兩種材料產(chǎn)生了很明顯的區(qū)別。
最后舉一個使用多尺度的模型例子。在微觀的尺度下，我們對GDL碳纖維進行壓縮處理。在宏觀尺度下使用CFD的模型進行對比的驗證。在使用孔尺度模型得到在不同壓縮比的情況下內(nèi)部氣體有效傳輸?shù)膮?shù)，以及把參數(shù)全部導入到兩相流計算模型當中去。最后可以通過宏觀和微觀的兩種尺度相結合，得到真實的內(nèi)部與它的燃料電池性能息息相關的電流密度分布的曲線，這個是比較簡單的例子，可以直觀看出多尺度模型分析下的優(yōu)勢，宏觀和微觀相結合。
最后一點做一個簡單的小結。
首先使用多尺度的仿真工具，結合宏觀和微觀的模型，我們可以完全將內(nèi)部的固體力學以及內(nèi)部的傳熱傳質完全耦合起來，可以利用工具對我們的燃料電池的性能以及壽命進行更加精準的預測。
孔尺度模型我們利用應用材料的裝配過程中，比如說擴散層的性能，微觀結構的分析，最后得到內(nèi)部的氣體傳輸?shù)奶匦浴＿@個方法同樣適用于其他多孔的材料。
我的匯報完畢，謝謝大家！
