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(wù)廳、長沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會聯(lián)合主辦，100余家機構(gòu)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(shù)及工程應(yīng)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(xué)材料與工程學(xué)院，我的匯報的題目是《燃料電池多尺度模擬的工程化應(yīng)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(guān)于質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展?fàn)顩r。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(jié)構(gòu)重構(gòu)。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(jié)構(gòu)重構(gòu)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(jié)。
首先講解一下武漢理工關(guān)于質(zhì)子交換膜的發(fā)展?fàn)顩r，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(guān)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(jié)構(gòu)，主要是由雙極板以及膜電極組件構(gòu)成。我的研究重點是MEA，膜電極組件，它是7層結(jié)構(gòu)組成的核心結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，質(zhì)子交換膜。關(guān)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(zhì)里面厚度最大的，主要的成份是碳纖維的構(gòu)成，直徑8到10個毫米。中間的微孔層由碳顆粒構(gòu)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(jié)構(gòu)的示意圖。
我們使用的是試驗和模擬雙向工具，對質(zhì)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(zhì)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(shè)備來對它的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最后實現(xiàn)對質(zhì)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(jié)構(gòu)重構(gòu)，得到精確的比較符合實際情況的真實結(jié)構(gòu)，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(jié)論得到驗證，這個是大概的宏觀尺度相結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的層次下對它重構(gòu)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?jǐn)?shù)以及各向異性參數(shù)，隨即重構(gòu)出內(nèi)部的碳纖維分布，產(chǎn)生碳纖維之后利用目標(biāo)的孔隙率，重構(gòu)出比較真實的擴散層的微觀結(jié)構(gòu)。第二種方法使用試驗重構(gòu)，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(guān)于toray的重構(gòu)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(gòu)。我們是在1、5、10、25這四個不同各向異性參數(shù)之后，重構(gòu)內(nèi)部的真實碳纖維的重構(gòu)結(jié)構(gòu)。然后我們可以看出當(dāng)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(gòu)出來的，我們要驗證重構(gòu)是否準(zhǔn)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(gòu)出完整的擴散層的真實結(jié)構(gòu)，首先重構(gòu)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(jié)構(gòu)。
關(guān)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(zhǔn)確的微觀大體結(jié)構(gòu)。然后利用結(jié)構(gòu)在我們的分析軟件里面分析出它的微觀結(jié)構(gòu)，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(gòu)出微觀的碳纖維，之后再重構(gòu)出內(nèi)部的添加物，疏水劑，再得到最終的Freudenberg的微觀結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。
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(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(gòu)出來之后，將材料參數(shù)帶入到模型當(dāng)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(cè)面反應(yīng)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(dǎo)入到兩相流計算模型當(dāng)中去。最后可以通過宏觀和微觀的兩種尺度相結(jié)合，得到真實的內(nèi)部與它的燃料電池性能息息相關(guān)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(jié)合。
最后一點做一個簡單的小結(jié)。
首先使用多尺度的仿真工具，結(jié)合宏觀和微觀的模型，我們可以完全將內(nèi)部的固體力學(xué)以及內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)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(zhǔn)的預(yù)測。
孔尺度模型我們利用應(yīng)用材料的裝配過程中，比如說擴散層的性能，微觀結(jié)構(gòu)的分析，最后得到內(nèi)部的氣體傳輸?shù)奶匦?。這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！
