中国储能网讯：2021年由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会联合主办，100余家机构共同支持的湖南（长沙）电池博览会暨首届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新储能、新动力、新发展”。

会后，为了能让参会代表有更深入的行业交流，小编经过演讲专家本人同意和审核，将演讲专家的速记整理如下：

张恒：我来自武汉理工大学材料与工程学院，我的汇报的题目是《燃料电池多尺度模拟的工程化应用》，可能会偏理论一点。

这是我汇报的提纲，首先是简单介绍一下武汉理工关于质子交换膜燃料电池的发展状况。第二是多尺度模型的使用工具，第三是微观尺度下的气体扩散层的微观结构重构。我是使用Toray和Freudenberg两种比较常用的商用GDL材料作为举例，讲解一下微观结构重构过程。第三是在宏观尺度上两相流模拟分析，最后一点做总结。

首先讲解一下武汉理工关于质子交换膜的发展状况，2010年的时候我们可以制造出10瓦的小型的燃料电池，在2003年的时候我们就制造出了燃料电池小型的汽车，以及5千瓦的燃料电池电堆，在2004年的时候制造出了楚天一号燃料电池汽车，以及25千瓦的燃料电池发动机。2007年的时候我们可以产生MEA膜电极组建的量产线，2009年我们制造出了楚天二号的小型巴士，以及燃料电池的备用电源的示范基地。    在2012年的时候就可以实现对MEA膜电极组建的自动化的生产线，2014年的时候生产出25千瓦燃料电池的电堆。

这个是25千瓦的水冷电堆，使用了金属双极板，体积功率的2.5千瓦每升，尺寸是408×110×220毫米，作为一个燃料电池汽车的供冷装置。

关于50千瓦燃料电池电堆作为巴士的动力发生器，现在运行已经超过了6500公里，这个数据是前几年的，最近的数据里程远远超过这个数字。

接着简单介绍一下燃料电池的结构，主要是由双极板以及膜电极组件构成。我的研究重点是MEA，膜电极组件，它是7层结构组成的核心结构，主要包括阴阳两极的气体扩散层，阴阳两极的微孔层，阴阳两极的催化层，以及中间的核心结构，质子交换膜。关于扩散层，它的尺寸大小大概是100到300微米，催化层厚度大概是5到20个微米。 扩散层是多孔介质里面厚度最大的，主要的成份是碳纤维的构成，直径8到10个毫米。中间的微孔层由碳颗粒构成，催化层主要的成份是由碳载铂，碳的尺寸大小大概30个纳米，铂的尺寸大小在3个纳米左右。（图）这个是微观结构的示意图。

我们使用的是试验和模拟双向工具，对质子交换膜燃料电池进行分析。从左边的10的负10次方这么一个量级，到右边的10的2次方的数量大小，从原子尺度一直到铂数，碳黑、团聚物、催化层以及中间的质子交换膜扩散层、单电池、燃料电池电堆。（图）我们可以绿色的框是微米，比微米级更小的微观尺度。右边在单电池和燃料电池电堆的尺度，这个是宏观的尺度。在实验室我们使用了一些试验设备来对它的结构进行微观的分析。在微观尺度下主要使用的工具是PSM、LBM，PSM是孔尺度的模型，LBM就是格子玻尔兹曼方法这么一个微观尺度的分析模拟工具。

使用辅助的模型的计算工具，可以计算出微观尺度下的有效气体扩散率，我们还可以深入的了解内部的耦合传输现象。

第三点利用微观的结构最后实现对质子交换膜燃料电池性能优化提升。

这个是多尺度的计算方法，首先在左边我们使用微观的试验工具，对它进行试验的表征，然后再利用微观的结构重构，得到精确的比较符合实际情况的真实结构，再利用内部的传输模拟，孔尺度的模型的计算软件，将宏观和微观种尺度进行耦合。最后我们利用试验工具对模型的结论得到验证，这个是大概的宏观尺度相结合的大体过程。

以两种比较常用的商业扩散层的材料为举例。左边的是toray  第二个是Freudenberg，这两种比较常用的商业GDL，我们可以通过SEM的图，可以比较直观看出Toray的扩散层的扩散层碳纤维的结构比较直，而Freudenberg呈现于卷曲的，成束状的，展现出非常明显的各向同性，Toray相比Freudenberg有更大的孔直径。

这个是在微观结构的层次下对它重构的方法。首先我们在模拟工具里面输入孔隙率，域值的大小，碳纤维的直径以及长度，添加体积分数以及各向异性参数，随即重构出内部的碳纤维分布，产生碳纤维之后利用目标的孔隙率，重构出比较真实的扩散层的微观结构。第二种方法使用试验重构，XCT的试验数据，得到试验数据之后利用分析软件，在里面添加一些添加物，最常见的就是粘合剂和疏水剂，最终得到比较完整的GDL的材料。

这个是关于toray的重构大体方法，我们使用这一个计算公式带入到模拟程序里面进行重构。我们是在1、5、10、25这四个不同各向异性参数之后，重构内部的真实碳纤维的重构结构。然后我们可以看出当各向异性参数为1的时候，碳纤维呈现各向同性，随着各向异性参数数值的增加，越来越多的碳纤维呈现在平面之内，展现出越来越明显的各向异性。

使用模拟的工具重构出来的，我们要验证重构是否准确和精确性，最常用的使用两种验证手段，就是孔隙率以及内部的孔尺度的分布。红色曲线就是平均的孔隙率，绿色的线就是在碳纤维煤层上面的孔隙率。右边是Toray这个材料内部的真实孔径分布。Toray平均的孔隙大小大概35个微米，最小是8，最大的是86微米，中位数大概是34微米左右。

最后我们重构出完整的扩散层的真实结构，首先重构出真实的碳纤维，然后再添加粘合剂，然后添加PTFE，得到真实的Toray微观的结构。

关于Freudenberg，这种方法和前面的方法略有不同，首先利用XCT的数据，得到比较准确的微观大体结构。然后利用结构在我们的分析软件里面分析出它的微观结构，同样的验证也是使用孔隙率和孔径的大小，和toray相比，Freudenberg孔径更小，大概是toray的一半左右，孔径大概是20个微米。

Freudenberg最后的GDL的材料，首先重构出微观的碳纤维，之后再重构出内部的添加物，疏水剂，再得到最终的Freudenberg的微观结构。和Toray商用的GDL不一样，由于他们的制作方法的不一样，Freudenberg内部是没有使用粘合剂的，所以添加PTFE，得出最后的完整的微观结构。

我们在使用之前所讲到的孔尺度模型，以及格子玻尔兹曼方法来计算传输参数，全部利用微观的模型仿真工具拟合出来的结论，与试验的数据进行对比验证。

最后是宏观两相模型的分析，图A代表的是单电池里面的真实结构，右边经过了在电堆的装备过程中产生了GDL的形变，是真实的结构，右边是工作以及几何参数值的大小。

将两种不同的气体扩散层材料重构出来之后，将材料参数带入到模型当中，可以使用两种不同的气体扩散层的曲线，在这里可以明显看出来使用Freudenberg的GDL材料，燃料电池在高的电流密度情况下展现出更好的性能，从侧面反应出Freudenberg相比Toray比较适合在高电流密度的情况下工作，产生的液态水比较多的情况，展现出比toray更好的工作性能。

将两种不同的GDL的材料带入到宏观两相模型中，得到内部的饱和度的分布，以及中子成象图，左边是模拟，右边是试验，对比进行验证。我们可以看到使用Toray和使用Freudenberg，水的分布明显不一样。使用Toray饱和度最大值出现在催化层下面，饱和度大概可以达到0.4左右，使用Freudenberg  GDL材料，饱和度最大值出现在流道下放的扩散层里面，两种材料产生了很明显的区别。

最后举一个使用多尺度的模型例子。在微观的尺度下，我们对GDL碳纤维进行压缩处理。在宏观尺度下使用CFD的模型进行对比的验证。在使用孔尺度模型得到在不同压缩比的情况下内部气体有效传输的参数，以及把参数全部导入到两相流计算模型当中去。最后可以通过宏观和微观的两种尺度相结合，得到真实的内部与它的燃料电池性能息息相关的电流密度分布的曲线，这个是比较简单的例子，可以直观看出多尺度模型分析下的优势，宏观和微观相结合。

最后一点做一个简单的小结。

首先使用多尺度的仿真工具，结合宏观和微观的模型，我们可以完全将内部的固体力学以及内部的传热传质完全耦合起来，可以利用工具对我们的燃料电池的性能以及寿命进行更加精准的预测。

孔尺度模型我们利用应用材料的装配过程中，比如说扩散层的性能，微观结构的分析，最后得到内部的气体传输的特性。这个方法同样适用于其他多孔的材料。

我的汇报完毕，谢谢大家！