MD-LBM跨尺度模拟方法研究仿生多孔电极内复杂渗流机理

仿生多孔电极具有反应扩散效率高，是燃料电池领域研究的一个热点问题。这类电极孔隙结构具有不同尺度，经典渗流很难诠释内部反应物的输运机理。本项目跨越微观和介观两种尺度，运用分子动力学、格子-Boltzmann方法、渗流理论结合基本仿生学原理研究仿生多孔电极中电化学反应条件下的气液躯替输运规律，放电性能变化，重点探索孔间干扰、边缘效应、管截面形状、特征尺度等因素在仿生电极复杂渗流行为中的表现，找出进一步提高仿生多孔电极反应效率新途径，以达到提高燃料电池输出功率的目的。是跨尺度渗流模拟技术、仿生学和电化学相交叉的应用性基础研究课题，构思新颖。依据以往的预研成果以及新的研究结果，建立起更为完善的考虑仿生多孔电极内部润湿性的气液驱替模型，研究驱替条件下的仿生电极过程动力学，形成一门应用交叉学科，为我国占领21世纪新型低碳能源技术制高点提供理论服务，同时也拓展了渗流力学的应用空间。

本项目首先提出了一个三维的数学模型来模拟研究质子交换膜燃料电池仿生多孔电极内的电化学渗流运动机理。理论研究的模型涵盖了流道里流体的流动、阳极氢气和阴极氧气各组分的传递、热量传递、电荷传递、和氧化还原的电化学反应动力学，并且运用了相同的数学方程来阐述所有研究区域的传递现象。在描述各种不同性质区域的时候，通过不同的源项和对应的物性参数来区分。采用项目设计的MD-LBM耦合方法求解各个传递方程组，同时对电化学反应动力学方程进行耦合处理，得到了电池内的组分浓度分布情况、温度场分布情况、以及仿生多孔扩散层孔隙率对电池性能的影响。.此外，项目通过对反应物浓度在质子交换膜燃料电池内各层的分布情况以及仿生多孔电极内扩散层和催化层接触面上的分布情况讨论，知道在阴阳两极中，气体流道入口附近反应物的摩尔浓度较大，发生的反应较快，浓度沿流动方向下降也较快，在扩散层和催化层接触面上，反应物浓度在模型里的z轴方向呈对称分布；通过对电池内部温度场的分析，知道质子交换膜处的温度最高，由于此时膜的欧姆电阻所产生的热量占主要部分；通过对多孔扩散层孔隙率大小模拟，发现在高低电流密度情况下，孔隙率对电池性能的影响存在差异。这些工作为优化PEMFC的设计提供参考。.第三，开展了微生物燃料电池（简称MFC）内仿生多孔电极中电化学渗流机理研究。到目前为止，对于微生物燃料电池内在连续流的条件下流体穿过多孔阳极的对流现象，人们已经做试探性研究。然而，流体穿过仿生多孔阳极的力学机理和多孔介质与MFC的定量关系还不是很清晰。我们实验发现当MFC装置的距离在某个特定范围时输出功率明显增大。基于这些实验得到的数据，我们利用格子Boltzmann方法研究了阳极与阴极之间的距离和多孔阳极达西数对MFC输出功率的影响。结果表明阳极与阴极之间的距离影响MFC中流体的速度和流体在多孔阳极中的滞留时间。此外，还发现多孔阳极的达西数能够影响 MFC的输出功率。我们的模拟结果对MFC的优化设计是有一定帮助的。.最后，本项目通过含源格子Boltzmann方法耦合MD研究了质子交换膜燃料电池内部输运现象，研究结果表明了该方法在这方面的应用是可行的。研究过程中对一系列有关燃料电池仿生电极性能物理量的参数的测试，也为进一步优化电池的内部结构奠定一定了基础。