中國(guó)儲(chǔ)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(zhǎng)沙市人民政府、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長(zhǎng)沙）電池博覽會(huì)暨首屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在長(zhǎng)沙圣爵菲斯大酒店召開(kāi)。此次大會(huì)主題是“新儲(chǔ)能、新動(dòng)力、新發(fā)展”。
會(huì)后，為了能讓參會(huì)代表有更深入的行業(yè)交流，小編經(jīng)過(guò)演講專(zhuān)家本人同意和審核，將演講專(zhuān)家的速記整理如下：
張恒：我來(lái)自武漢理工大學(xué)材料與工程學(xué)院，我的匯報(bào)的題目是《燃料電池多尺度模擬的工程化應(yīng)用》，可能會(huì)偏理論一點(diǎn)。
這是我匯報(bào)的提綱，首先是簡(jiǎn)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(guān)尺度下的氣體擴(kuò)散層的微觀(guān)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(guān)結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程。第三是在宏觀(guān)尺度上兩相流模擬分析，最后一點(diǎn)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(shí)候我們可以制造出10瓦的小型的燃料電池，在2003年的時(shí)候我們就制造出了燃料電池小型的汽車(chē)，以及5千瓦的燃料電池電堆，在2004年的時(shí)候制造出了楚天一號(hào)燃料電池汽車(chē)，以及25千瓦的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。2007年的時(shí)候我們可以產(chǎn)生MEA膜電極組建的量產(chǎn)線(xiàn)，2009年我們制造出了楚天二號(hào)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(shí)候就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MEA膜電極組建的自動(dòng)化的生產(chǎn)線(xiàn)，2014年的時(shí)候生產(chǎn)出25千瓦燃料電池的電堆。
這個(gè)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(gè)燃料電池汽車(chē)的供冷裝置。
關(guān)于50千瓦燃料電池電堆作為巴士的動(dòng)力發(fā)生器，現(xiàn)在運(yùn)行已經(jīng)超過(guò)了6500公里，這個(gè)數(shù)據(jù)是前幾年的，最近的數(shù)據(jù)里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)數(shù)字。
接著簡(jiǎn)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(diǎn)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(yáng)兩極的氣體擴(kuò)散層，陰陽(yáng)兩極的微孔層，陰陽(yáng)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(kuò)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(gè)微米。 擴(kuò)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(gè)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(gè)納米，鉑的尺寸大小在3個(gè)納米左右。（圖）這個(gè)是微觀(guān)結(jié)構(gòu)的示意圖。
我們使用的是試驗(yàn)和模擬雙向工具，對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行分析。從左邊的10的負(fù)10次方這么一個(gè)量級(jí)，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(tuán)聚物、催化層以及中間的質(zhì)子交換膜擴(kuò)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(jí)更小的微觀(guān)尺度。右邊在單電池和燃料電池電堆的尺度，這個(gè)是宏觀(guān)的尺度。在實(shí)驗(yàn)室我們使用了一些試驗(yàn)設(shè)備來(lái)對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀(guān)的分析。在微觀(guān)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(gè)微觀(guān)尺度的分析模擬工具。
使用輔助的模型的計(jì)算工具，可以計(jì)算出微觀(guān)尺度下的有效氣體擴(kuò)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(diǎn)利用微觀(guān)的結(jié)構(gòu)最后實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能優(yōu)化提升。
這個(gè)是多尺度的計(jì)算方法，首先在左邊我們使用微觀(guān)的試驗(yàn)工具，對(duì)它進(jìn)行試驗(yàn)的表征，然后再利用微觀(guān)的結(jié)構(gòu)重構(gòu)，得到精確的比較符合實(shí)際情況的真實(shí)結(jié)構(gòu)，再利用內(nèi)部的傳輸模擬，孔尺度的模型的計(jì)算軟件，將宏觀(guān)和微觀(guān)種尺度進(jìn)行耦合。最后我們利用試驗(yàn)工具對(duì)模型的結(jié)論得到驗(yàn)證，這個(gè)是大概的宏觀(guān)尺度相結(jié)合的大體過(guò)程。
以?xún)煞N比較常用的商業(yè)擴(kuò)散層的材料為舉例。左邊的是toray 第二個(gè)是Freudenberg，這兩種比較常用的商業(yè)GDL，我們可以通過(guò)SEM的圖，可以比較直觀(guān)看出Toray的擴(kuò)散層的擴(kuò)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(gè)是在微觀(guān)結(jié)構(gòu)的層次下對(duì)它重構(gòu)的方法。首先我們?cè)谀M工具里面輸入孔隙率，域值的大小，碳纖維的直徑以及長(zhǎng)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(shí)的擴(kuò)散層的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。第二種方法使用試驗(yàn)重構(gòu)，XCT的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到試驗(yàn)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(jiàn)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(gè)是關(guān)于toray的重構(gòu)大體方法，我們使用這一個(gè)計(jì)算公式帶入到模擬程序里面進(jìn)行重構(gòu)。我們是在1、5、10、25這四個(gè)不同各向異性參數(shù)之后，重構(gòu)內(nèi)部的真實(shí)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(shí)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(lái)越多的碳纖維呈現(xiàn)在平面之內(nèi)，展現(xiàn)出越來(lái)越明顯的各向異性。
使用模擬的工具重構(gòu)出來(lái)的，我們要驗(yàn)證重構(gòu)是否準(zhǔn)確和精確性，最常用的使用兩種驗(yàn)證手段，就是孔隙率以及內(nèi)部的孔尺度的分布。紅色曲線(xiàn)就是平均的孔隙率，綠色的線(xiàn)就是在碳纖維煤層上面的孔隙率。右邊是Toray這個(gè)材料內(nèi)部的真實(shí)孔徑分布。Toray平均的孔隙大小大概35個(gè)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(kuò)散層的真實(shí)結(jié)構(gòu)，首先重構(gòu)出真實(shí)的碳纖維，然后再添加粘合劑，然后添加PTFE，得到真實(shí)的Toray微觀(guān)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(guān)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(guān)結(jié)構(gòu)，同樣的驗(yàn)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(gè)微米。
Freudenberg最后的GDL的材料，首先重構(gòu)出微觀(guān)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(guān)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(méi)有使用粘合劑的，所以添加PTFE，得出最后的完整的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。
我們?cè)谑褂弥八v到的孔尺度模型，以及格子玻爾茲曼方法來(lái)計(jì)算傳輸參數(shù)，全部利用微觀(guān)的模型仿真工具擬合出來(lái)的結(jié)論，與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。
最后是宏觀(guān)兩相模型的分析，圖A代表的是單電池里面的真實(shí)結(jié)構(gòu)，右邊經(jīng)過(guò)了在電堆的裝備過(guò)程中產(chǎn)生了GDL的形變，是真實(shí)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(kuò)散層材料重構(gòu)出來(lái)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(kuò)散層的曲線(xiàn)，在這里可以明顯看出來(lái)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(guān)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(yàn)，對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)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(dá)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(kuò)散層里面，兩種材料產(chǎn)生了很明顯的區(qū)別。
最后舉一個(gè)使用多尺度的模型例子。在微觀(guān)的尺度下，我們對(duì)GDL碳纖維進(jìn)行壓縮處理。在宏觀(guān)尺度下使用CFD的模型進(jìn)行對(duì)比的驗(yàn)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(jì)算模型當(dāng)中去。最后可以通過(guò)宏觀(guān)和微觀(guān)的兩種尺度相結(jié)合，得到真實(shí)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(xiàn)，這個(gè)是比較簡(jiǎn)單的例子，可以直觀(guān)看出多尺度模型分析下的優(yōu)勢(shì)，宏觀(guān)和微觀(guān)相結(jié)合。
最后一點(diǎn)做一個(gè)簡(jiǎn)單的小結(jié)。
首先使用多尺度的仿真工具，結(jié)合宏觀(guān)和微觀(guān)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(lái)，可以利用工具對(duì)我們的燃料電池的性能以及壽命進(jìn)行更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。
孔尺度模型我們利用應(yīng)用材料的裝配過(guò)程中，比如說(shuō)擴(kuò)散層的性能，微觀(guān)結(jié)構(gòu)的分析，最后得到內(nèi)部的氣體傳輸?shù)奶匦?。這個(gè)方法同樣適用于其他多孔的材料。
我的匯報(bào)完畢，謝謝大家！
