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Insights into the hydrogen evolution reaction in vanadium redox flow batteries:A synchrotron radiation based X-ray imaging study
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作者 Kerstin Köble Alexey Ershov +7 位作者 Kangjun Duan Monja Schilling Alexander Rampf Angelica Cecilia TomášFaragó Marcus Zuber Tilo Baumbach roswitha zeis 《Journal of Energy Chemistry》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第4期132-144,共13页
The parasitic hydrogen evolution reaction(HER)in the negative half-cell of vanadium redox flow batteries(VRFBs)causes severe efficiency losses.Thus,a deeper understanding of this process and the accompanying bubble fo... The parasitic hydrogen evolution reaction(HER)in the negative half-cell of vanadium redox flow batteries(VRFBs)causes severe efficiency losses.Thus,a deeper understanding of this process and the accompanying bubble formation is crucial.This benchmarking study locally analyzes the bubble distribution in thick,porous electrodes for the first time using deep learning-based image segmentation of synchrotron X-ray micro-tomograms.Each large three-dimensional data set was processed precisely in less than one minute while minimizing human errors and pointing out areas of increased HER activity in VRFBs.The study systematically varies the electrode potential and material,concluding that more negative electrode potentials of-200 m V vs.reversible hydrogen electrode(RHE)and lower cause more substantial bubble formation,resulting in bubble fractions of around 15%–20%in carbon felt electrodes.Contrarily,the bubble fractions stay only around 2%in an electrode combining carbon felt and carbon paper.The detected areas with high HER activity,such as the border subregion with more than 30%bubble fraction in carbon felt electrodes,the cutting edges,and preferential spots in the electrode bulk,are potential-independent and suggest that larger electrodes with a higher bulk-to-border ratio might reduce HER-related performance losses.The described combination of electrochemical measurements,local X-ray microtomography,AI-based segmentation,and 3D morphometric analysis is a powerful and novel approach for local bubble analysis in three-dimensional porous electrodes,providing an essential toolkit for a broad community working on bubble-generating electrochemical systems. 展开更多
关键词 Vanadium redox flow battery Synchrotron X-ray imaging Tomography Hydrogen evolution reaction Gas bubbles Deep learning
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高温质子交换膜燃料电池催化层孔尺度模拟 被引量:2
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作者 段康俊 roswitha zeis 隋邦傑 《重庆大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第8期34-43,共10页
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... 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。 展开更多
关键词 高温质子交换膜燃料电池 催化层 磷酸 格子玻尔兹曼模型 孔尺度模型
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重构全钒液流电池碳毡力学仿真及孔尺度模拟
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作者 肖柳胜 罗马吉 +4 位作者 朱礼军 段康俊 冷文亮 roswitha zeis 隋邦傑 《重庆大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第8期1-10,共10页
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... 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。 展开更多
关键词 全钒液流电池 碳毡 XCT重构 有限元方法 位移变形 孔尺度模拟 传输特性
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