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。

双极膜电渗析在分离硫酸锂生产酸碱的研究

研究验证了用双极膜电渗析技术在分离锂离子电池正极材料回收过程中的产物Li_(2)SO_(4)溶液并生产高浓度的LiOH和H_(2)SO_(4)溶液的可行性。将1.1 mol/L的Li_(2)SO_(4)溶液转化为2.2 mol/L的LiOH和1.3 mol/L的H_(2)SO_(4)。研究了装置中并联单元组数和溶液流速对回收结果的影响。实验结果表明,Li+回收率能达到92.3%;增加双极膜电渗析装置中并联单元组数,可以使酸室和碱室中溶液浓度增长更快,酸碱溶液的回收效率更高,反应时间变短,能耗降低。5组并联单元的装置将能耗成本降低到3.40 kWh/kg,进而推导出,扩大为100组并联单元时能降低至1.58 kWh/kg;适当增大腔室内溶液流速,能提高反应过程中LiOH溶液浓度,增加Li+的回收率和电流效率;研究表明,将单次Li+回收率控制在80%左右,多次循环分离Li_(2)SO_(4)母液,降低能耗的同时提高产物溶液的纯度。

基于XCT的气体扩散层传输特性孔尺度模拟

为了探究质子交换膜燃料电池气体扩散层中孔隙率对各向异性传输特性的影响,先利用X射线计算机断层扫描(XCT)可视化技术方法对Freudenberg H2315 GDL气体扩散层进行三维微观结构重构,随后利用孔尺度模型分别研究了气体有效扩散率、曲度、有效电导率、有效热导率与孔隙率的关系,利用格子-玻尔兹曼模型研究液态水渗透率在厚度方向和平面内方向与孔隙率的关系,以及液态水饱和度和毛细压强的关系。结果表明:孔隙率对传输特性有显著的影响,Freudenberg H2315 GDL气体扩散层表现出明显的各向同性。

基于纤维面内取向分布的气体扩散层重构与传输性能分析

提出一种重构燃料电池气体扩散层(GDL)微观结构的新方法,用于研究纤维面内取向分布对GDL传输性能的影响。利用XCT扫描获取GDL二维切片图进行阈值分割得到GDL三维模型,通过纤维追踪技术区分纤维与粘接剂,得出纤维面内取向概率分布、纤维骨架局部孔隙率、纤维与粘接剂组分比例等信息作为控制因素,重构更加准确的GDL纤维骨架,并通过形态学处理添加粘接剂得到GDL孔尺度模型。对1000μm×1000μm×200μm的GDL计算域进行性能模拟计算,分析不同纤维取向分布对GDL的气体传输、热电传导性能的影响。由于碳纸在制造中大部分纤维顺着造纸机运行方向(纵向)排列,不同排列方式严重影响GDL在纵向、横向和穿面方向(TP方向)的性能。研究结果表明:随着纤维纵向分布集中程度提高,气体传输与热电传导性能在纵向提高,但在横向降低;对于TP方向,本研究中的纤维集中于纵向的一致性系数为0.029的取向分布时,GDL模型性能较优;电导率及热导率对纤维取向分布比气体扩散率更敏感。

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。

质子交换膜燃料电池大电流密度下运行工况优化研究

利用计算流体动力学软件,针对在大电流密度、阴极无加湿、阳极加湿,阴阳极有背压等操作特点下运行的PEM电池进行数值模拟,综合考虑电池性能和电流密度分布的均匀性,寻求最优工况点.结果表明,对于给定的操作压力,存在一个最佳性能温度,压力增加,最佳温度随之增加,在压力为100,200,300kPa时,最佳性能温度分别为75,60,50℃;由于阴极不加湿,在最佳性能温度点膜含水量分布及电流密度分布不均匀;在较低温度下运行时电流密度分布均匀性随着压力的增加逐渐提高,但在较高温度下运行时则相反.

基于机理模型的PEMFC老化模拟研究

为了研究燃料电池汽车运行工况对燃料电池老化的影响,提出了一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)老化机理模型,并与经试验验证的PEMFC多物理场模型耦合,建立了能预测燃料电池性能衰退的老化模拟器。利用该老化模拟器,模拟研究了在城市公交车运行基准循环工况和所设计的加速老化循环工况下燃料电池性能衰减情况。结果表明,所建立的老化模拟器能预测公交车燃料电池运行工况对燃料电池老化的影响,燃料电池在所设计的加速老化循环工况下的电压衰退速率约为基准循环工况的2倍。

高温质子交换膜燃料电池催化层孔尺度模拟

为了研究磷酸在高温质子交换膜燃料电池催化层中再分布对电极性能的影响,使用聚焦离子束电子扫描显微镜对自制的扩散电极成像,重构得到了三维的催化层几何模型;采用多弛豫时间格子玻尔兹曼模型对磷酸在催化层的迁移行为进行仿真,模拟得到递减型和准均匀型2种不同的磷酸分布形式;采用孔尺度模型求解不同条件下的电极传输性质。结果表明在磷酸含量较低时,准均匀型的磷酸分布具有稍优的电化学活性表面积和稍差的氧气和水蒸气有效扩散系数;在磷酸含量较高时,2种分布的电化学活性表面积相似,但是准均匀型分布具有更好的氧气和水蒸气有效扩散系数。

三室膜电渗析分离硫酸锂回收酸碱

设计使用三室膜反应器通过电渗析来分离废旧锂离子电池正极材料回收过程中产生的Li_(2)SO_(4)溶液并得到高浓度的LiOH和H_(2)SO_(4)溶液,循环用于生产线中,实现闭环控制,提升材料利用率和回收经济性。考察了电流密度和淡化室初始浓度对回收结果的影响。实验表明,Li^(+)和SO_(4)^(2-)的分离率分别为94.4%和83.8%,回收率分别达到88.8%和76.3%;从相同反应时间及理论迁移相同离子数两个角度分析四种电流密度的适用性,结果表明833.33 A/m^(2)恒电流密度回收效率最高;淡化室溶液初始浓度越高,阴极浓缩室溶液浓度越大,浓度提升速率越快,一定程度上降低了能耗。

重构全钒液流电池碳毡力学仿真及孔尺度模拟

为探究全钒液流电池(VRFB)碳毡微观尺度下承受压力的位移变形并量化其对传输特性的影响,应用X射线断层扫描(XCT)微观重构技术、有限元方法(FEM)和孔尺度模拟技术(PSM),考虑碳纤维间受压缩的接触摩擦及挤压弯曲,重构碳纤维微观结构,研究了碳纤维不同压缩比3D(X,Y和Z方向)位移分布,并量化位移变形对微结构传输特性的影响。结果表明:随着压缩比增大到30%,Z方向位移变化最为明显,计算域A位移变化为:-59^+5μm,计算域B位移变化为:-145^+16μm,钒离子XY方向扩散系数减小15.4%,Z方向扩散系数减小24.2%,XY方向电导率升高112.5%,Z方向电导率增大113.3%,模拟结果与实验结果趋势较吻合,可以较好模拟预测碳毡电导率计算域尺寸为:X/Y=300~400μm,Z=200~400μm。

燃料电池在机械应力下的工作参数分布

针对质子交换膜燃料电池在机械应力下的气-液两相流进行数学模拟研究,建立了一个二维质子交换膜燃料电池非等温两相流多物理场稳态模型.该模型综合考虑了固体力学、电化学、传热传质以及气液两相流的物理因素,研究了质子交换膜燃料电池在机械应力作用下的两相流分布.计算结果显示:在机械应力作用下,燃料电池肋板下方的多孔介质应力明显大于流道下方的应力,且在肋板和流道交界处下方的气体扩散层会产生明显的应力集中现象;随着电流密度的增加,阴极相对湿度逐渐增加,但阳极相对湿度会减小;液态水仅在阴极产生且主要在肋板下方的多孔介质内形成,其在阴极的饱和度随电流密度的增加而不断增加.

高性能高镍三元正极材料的合成条件

高镍三元正极材料LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)具有能量密度高和成本低的特点。有关高温固相法合成时多项实验条件变量对产物性能影响的研究不多。以镍钴锰氢氧化物为原料,采用高温固相合成法制备LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2),用热重(TG)-差示扫描量热(DSC)、XRD、SEM和粒度分析等方法,研究烧结温度、时间和过锂量对产物性能的影响。产物为球形,粒径均匀、结构稳定。电化学性能测试结果表明:在烧结温度为800℃、烧结时间为15 h及过锂量为5%的条件下合成的产物,性能最好。以0.2 C在2.50~4.30 V充放电,首次放电比容量达到212.2 mAh/g;在电流为1.0 C时,第100次循环的比容量从首次循环的187.9 mAh/g降至176.6 mAh/g,容量保持率为94.0%。

碱性阴离子交换膜燃料电池实验及数值模拟

针对碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)水管理开展了实验及数值模拟工作,使用Tokuyama A201膜制备并组装了实验室规模的AEMFC单电池,建立了一个基于质量守恒、组分守恒及电荷守恒的碱性阴离子交换膜燃料电池二维稳态等温模型,用于研究电池性能及内部水传输机理。通过模型计算分析电池性能及内部水传输和水分布情况,结果表明:计算预测得到的特定参数下的极化曲线趋势与单电池测试的数据吻合良好;电流密度增加会增大水从阳极到阴极的净通量,有利于阴极反应的进行;电池两极均需进气加湿,提高阳极进气湿度可以加快水从阳极到阴极的净迁移,在较高电流密度下阴极进气湿度过低对电池性能影响较大。

废旧锂离子电池酸溶回收贵金属的工艺模拟

基于现有对浸出动力学的研究,本文采用Aspen Plus软件,对锂离子电池正极材料中贵金属的大规模回收过程建立模型并进行流程模拟,以预测大规模锂离子电池正极材料回收浸出的最佳操作条件及浸出效率。模拟结果表明,当废弃材料的处理量为21kg·h^(-1),采用硫酸和双氧水试剂,控制p H值为1.2,温度为70℃,浆料密度为100g·L^(-1),选用2个停留时间均为40min的CSTR进行串联时,锂离子电池正极材料中贵金属的浸出结果最为理想。通过模拟,在最佳操作条件下,锂、镍、钴、锰的浸出效率分别达到99.98%、99.11%、99.98%、99.98%。

PEMFC电堆快速成型建模和优化

质子交换膜燃料电池电堆中水热管理策略与电堆结构与大小息息相关,开发过程必须引进电脑辅助设计模拟工具,本文基于COMSOL软件开发了快速成型电堆二维模型,模型中考虑膜电极的零部件、双极板及冷却水槽道中的气、水、热、电的相互影响,在模型中加入阴极进气和排气歧管,真实地模拟了整个电堆的气体流动分布。该模型中几何尺寸及单电池数量经过参数化,能依据设计要求快速建模并进行仿真,在进行更详细三维模拟仿真之前,为电堆设计提供初步设计方案。本文以一个10个单电池串联的二维燃料电池堆模型为例,求解了气体流道,多孔介质、电极耦合表面和固体流体传热的一整套质量、动量、组分和温度守恒方程。针对U型进气方式,分析了电池堆氧气速度、质量分数和电极耦合表面电流密度分布特点。基于该电堆模型,研究了电压,质子交换膜电导率,空气进气流速等参数对电堆水气分布的影响。模拟结果发现高电压工作,较大的质子交换膜电导率,较大的进气流速均会提高电堆性能。通过优化现有模型结构,实现了电池堆水气更均匀地分布,为燃料电池堆的进一步设计提供参考。

分散方式对PEMFC微孔层油墨流变特性与微结构的影响研究

制备高性能的微孔层对于提升质子交换膜燃料电池性能至关重要,其中微孔层油墨的制备是微孔层制备中的核心环节,油墨的分散方式和分散时长均会影响微孔层的性能。在本文中,研究了在两种不同的分散方式及三种不同分散时长下:超声分散(15 min,30 min,45 min)和球磨分散(1 h,2 h,3 h),对微孔层性能的影响,并对微孔层油墨进行了流变性研究、粒径分布和形貌表征以及BET测试。研究结果表明:球磨分散与超声分散制备的微孔层油墨呈现不同的流变性,前者黏度20 m Pa·s明显高于后者2 mPa·s,粒径分布也因分散方式不同呈现明显差异。球磨分散方式制备的微孔层表面出现明显的团聚絮状物,增加了表面粗糙度,同时该制备方式下的微孔层比表面积为9.2922 m^(2)·g^(-1)。同样制备时长也会对微孔层性能产生影响,研究发现球磨分散2 h制备的微孔层展示了更高的优越性。

基于水平衡的PEM燃料电池大电流运行优化控制

质子交换膜燃料电池(PEMFC)水管理是影响其性能的主要因素之一。本文针对大电流运行的PEM燃料电池,提出了一种基于MEA水平衡的温度控制方法。在一定的操作压力和过量系数下,得到了基于无净电拖的PEM电池水平衡温度,并通过三维模拟对无净电拖水平衡温度进行修正,获得了基于电池最优性能的操作温度;电池实际的操作温度控制,可以以无净电拖水平衡温度线为基础,加上一个修正量,使电池在性能良好区域运行。这种电池操作温度的控制算法简单,对电池的设计与操作优化具有参考意义。

质子交换膜燃料电池堆建模与参数分析

质子交换膜燃料电池性能衰退与寿命预测研究需要依靠多物理仿真模型。为了满足燃料电池堆对仿真工具的要求,单电池模型被串联起来建立了一个燃料电池堆二维模型。在每个单电池内,考虑了各个组件的气体成分,带电离子和水分子的耦合传输特性。以10个单电池组成的电堆为例,将电池堆性能的影响因素归结为内部性能参数和操作运行过程中的控制参数。得到了燃料电池堆的气体浓度分布、阴阳极湿度分布、局部电流密度分布和整体温度分布等。最后对电池内部性能参数和操作参数进行分析,发现提高催化层活性比表面积可改善活化损失;提高质子交换膜电导率可改善欧姆损失;提高扩散层孔隙率可改善浓差损失。为PEMFC性能优化设计和操作条件的选择打下基础。

机械应力下的质子交换膜燃料电池两相流研究

为了研究质子交换膜燃料电池在机械应力下的两相流分布,本文首先选取了四个压缩比:5%、10%、20%和25%来研究压缩对质子交换膜燃料电池性能的影响,研究了最佳压缩比时燃料电池内的两相流分布。研究结果显示:当压缩比为20%时,电池会达到最佳性能;燃料电池的最高温度发生在阴极催化层,燃料电池的温度随着电流密度的增加而增加;燃料电池阳极没有液态水的产生,燃料电池阴极的饱和度最大值发生在肋板下方的气体扩散层,随着电流密度的增加,阴极饱和度沿流道方向增加,当电流密度为1.51 A·cm^(-2)时,燃料电池的液态水饱和度最大值达到0.4。

气体扩散层各向异性传输特性的孔尺度模拟

为研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)气体扩散层(GDL)内孔隙率对各向异性传输特性参数的影响,首先,使用数值随机重构的方法对Toray TGP-H气体扩散层进行三维微观结构重构。在重构中考虑到了碳纤维分布的各向异性以及Toray TGP-H气体扩散层内部所有的相,包括孔、碳纤维、黏合剂和聚四氟乙烯。然后,利用孔尺度模型分别研究了孔隙率与有效扩散率、曲度、有效电导率、有效热导率以及液态水渗透率在厚度方向和平面内方向的关系。结果表明:孔隙率对传输特性有显著的影响,并且Toray TGP-H气体扩散层的传输特性在平面方向和厚度方向存在着十分明显的各向异性。