一、质子交换膜燃料电池三维多相仿真分析
质子交换膜燃料电池的水热管理是限制其性能及耐久性的重要因素之一，其涉及电池内部气液两相流动、水蒸发及液化、膜吸放水、气体组分传输、电化学反应、离子和电子传输和热量传输等过程。这些传输过程之间的强烈耦合性使质子交换膜燃料电池水热管理变得异常复杂。借助三维多相模型可以深入细致了解电池内部的多相传输和电化学反应过程，对电池优化设计具有重要意义。经过详细实验验证后，利用该模型着重对比了三维精细流场与多孔介质等新型流场对电池性能的影响。
图1 燃料电池组示意图
图2 燃料电池型号示意图
图3 三维细网流场示意图
二、质子交换膜燃料电池系统仿真研究
包括燃料电池堆，气体供给系统，加湿系统以及热管理系统，研究对象涉及燃料电池堆，膜加湿器，耦合控制策略的空气压缩机，氢气循环泵与引射器，散热器等，研究目标分为如下三大类：
1.电堆性能预测与结构设计：充分考虑电堆内部单电池之间进气的不均匀性，耦合电堆进气分配模型与准二维瞬态电堆模型，构建多维度叠加的电堆模型，预测电堆的稳态性能与瞬态性能，并且优化操作工况与结构设计（如气体流动方式，电堆结构形式，冷却流道设计等）。
2.系统水热管理策略与结构设计：分析系统内部的能量流动规律，优化系统运行工况；优化系统结构设计，如氢气循环回收装置的选择与循环系统布置形式；分析系统零下温度自启动能力与辅助启动手段，探究最佳冷启动策略。
3.系统瞬态响应与控制策略：探究变载工况下，电堆与辅助子系统的动态响应情况，针对响应不足的部件，提出有效的控制策略；系统运行可靠性分析与系统故障分布规律。
图1 燃料电池堆进气分配模型示意图
图2 多维度叠加燃料电池堆模型计算流程图
图3 燃料电池系统示意图
三、SOFC一维稳态模型/准二维数值模型
1.SOFC一维稳态模型及电极结构优化
建立了一个将固体氧化物燃料电池内部多组分扩散，传热传质，电荷传输以及重整反应等物理过程与微观粒子渗滤模型相结合的一维稳态数值模型。模型用于计算电池电极结构的变化（厚度，粒径，粒度比，体积分数）对电池性能的影响。比较了电子/离子导电材料在AFL/CFL中的均匀分布和非均匀分布对电池性能的影响。在阳极和阴极中，FL厚度和颗粒大小的影响是不同的。最优阳极反应层厚度随颗粒尺寸的增大而增大。虽然在非均匀分布的情况下性能略有下降，但该结构降低了离子导电材料的用量和制造难度，为燃料电池微观结构提供了一种新的思路。
2.SOFC准二维数值模型及参数全局敏感性分析
固体氧化物燃料电池准二维快速预测模型，根据已有模型研究了对电池工作参数进行全局敏感性分析，分析了参数敏感性来源并对参数敏感性等级进行了划分，为电池结构和性能优化提供指导，并提出了一种基于敏感性分析的沿流道方向不均匀分布的微观结构优化方案。
图1 固体氧化物燃料电池一维模型几何结构示意图，包括微尺度和宏观尺度结构
图2 二维阳极支撑固体氧化物燃料电池结构示意图
四、固体氧化物燃料电池/电解池三维仿真研究
对SOFC/SOEC内部多种物理场，例如速度、温度、浓度和反应速率的分布情况和多场耦合对电池性能的影响，应用CFD方法对SOFC/SOEC进行三维的仿真模拟研究，充分考虑诸如传热、扩散、流动等物理过程。考虑不同碳氢燃料参与重整和电化学反应，及其在流道和多孔电极组分分布情况。不同结构设计参数和工况下，电池性能变化及相应规律。考虑在气体扩散层（GDL）的多种重整反应及多组分气体扩散过程，在催化层（CL）氢气和一氧化碳参与的电化学反应，建立单流道和多流道几何和数值模型，进行实验验证，并以此为基础建立一套完整的三维CFD模型，适用于不同进气组分，不同设计参数，为深入分析内部传热传质以及CO2富集机理，阐明燃料气体、电极、流道设计、热管理、负载变化等对宏观性能影响，并为此提供计算基础。
五、燃料电池电极内耦合电化学物理过程研究
研究主要是燃料电池电极内部的多相流动和反应输运过程。研究目标是通过理解电极内部输运的机理，从而提出优化电极设计的方案。目前，已经创建了一整套燃料电池电极研究体系，包括扩散层，微孔层，催化层多孔介质的重构模型和基于GPU高效并行的多功能LBM模型，从而可实现大规模计算。
图1 扩散层重构过程
图2 扩散层中的两相流动
图3 催化层重构过程
图4 新型催化层结构设计
图5 新型催化层可以极大提升电极性能
六、燃料电池冷启动过程建模以及燃料电池堆建模
研究方向主要在质子交换膜燃料电池的水和热管理，特别是在正常工况和冷启动过程中关于描述电池/电池堆的动态特性而建立的二维瞬态多相数值模型。为了提高氢气的利用率, 质子交换膜燃料电池的阳极出口端封死（DEA）和阳极废气再循环（ORA）两种氢气供给布局方式被广泛采用。然而这两个模式也会导致阳极中的水和氮气积累，相比阳极流道直通（FTA）模式, 这两个模式可能会导致电池的性能严重下降。因此，我们开发了一系列二维瞬态多相数学模型，包括了水的复杂相变和氮气渗透现象来研究相关问题。模型中，电流密度分布也通过一个简化的电化学模块来描述。模型验证方面，在低温(-7°C和-9°C)条件启动和正常操作温度(70°C)下模型的仿真结果与实验数据匹配较好。研究了氢气供给模式（FTA、DEA、ORA）、流向配置（顺流和逆流）、启动策略（恒流和恒压）对启动过程的影响。研究结果表明，在恒流冷启动过程中，逆流情况下产生的冰要比顺流情况下产生的冰少得多。相对较低的启动电压（例如0.3V）会抑制ORA和DEA模式下的氮气的渗透和阳极中氮气的积累。而ORA模式下燃料电池具有较高的氢利用效率、较高的氮气忍耐性、较好的输出性能和冷启动能力，是最佳的氢气供给形式。相关的ORA模式的供给策略研究也在和其他人合著的文章中体现。
图1 逆流配置下二维质子交换膜燃料电池模型示意图
图2 数值解的算法
(a)
（b）
图3 (a) 模拟和实验比较了PEM燃料电池在零度以下启动过程中的输出电压和欧姆电阻随时间的变化
(b) 模拟和实验不同条件下电池极化曲线的比较
（a）
（b）
图4 三种氢流量管理方式下（a）并流模式和（b）逆流模式下输出电压的变化
（a）
（b）
图5 在（a）共流和（b）逆流模式下，采用三种氢流管理方法，CCL中冰饱和度的演变。
（a）
（b）
（c）
图6 （a）电流密度沿CH分布；（b）氮沿ACL分布；（c）温度沿CCL分布，并在逆流模式下进行三种氢流量管理
七、质子交换膜燃料电池准二维瞬态模型的建立及阳极循环操作下的数值模拟研究
准二维瞬态模型依据电池内部传热传质机理运算，对包括启动过程，运行过程和停机过程，可根据实际操作工况输入量包括电流密度（或电压），操作温度，进气压力，供气流速及相关电池设计参数和材料参数；可输出电堆内部各物理量的动态变化过程，包括电压，局部电流密度，欧姆电阻，活化损失，温度，膜水含量，相对湿度，氢，氧气浓度等。利用该模型，对燃料电池阳极循环工作模式下的特性进行探究，包括自增湿性和氮气渗透造成的电池性能衰减，进一步对排出阳极内氮气的吹扫过程进行数值模拟研究，提出了阳极完全循环下氮气的两种吹扫策略：基于电压的吹扫策略和基于氮气积累量的吹扫策略，探究了扫气策略、速度对电压、能量利用率和燃料浪费率的影响规律，总结提出了最佳扫气策略。
发表论文：
1. Wang B, Wu K, Jiao K, et al. A quasi-2D transient modelof proton exchange membrane fuel cell with anode recirculation. Energy Convers Manage, 2018, 171: 1463-75.
2. Wang B, Deng H, Jiao K. Purge strategy optimization of proton exchange membrane fuelcell with anode recirculation. Appl Energy, 2018, 225: 1-13.
3. Wang B,Wu K, Jiao K, et al. Numerical analysis of operating conditions effects onPEMFC with anode recirculation. Energy, 2019, 173:844-856.
八、质子交换膜燃料电池内多组分多相流动的数值模拟
质子交换膜燃料电池流道和气体扩散层内的多相流动与反应气体的耦合传输对燃料电池的性能有着重要的影响。牛志强主要通过湍流直接数值模拟（DNS）、气体扩散层微观结构重构、以及基于开源CFD平台的三维PEMFC模型开发三种手段来对流道和气体扩散层内的多组分多相流动展开研究。主要研究内容为湍流与层流状态下流道内气液两相流动的差异及原因、气体扩散层数值与X-射线重构方法以及内部的液态水动态行为及分布特征、OpenFOAM平台下三维PEMFC模型的建模方法。
九、泡沫材料及3-D流场内两相流动的数值模拟
泡沫材料是一种功能性的多孔材料，在燃料电池内多用于作为传质、传热、导电的载体。传统燃料电池的反应气分配方式是使用蚀刻在极板上的沟-脊式流道，在传质方面存在一些固有的问题，而泡沫材料的出现为新型流道/流场设计提供了可能。目前，泡沫流场的设计还处于理论研究与实验测试阶段，其内部质热传输机理还不甚清楚。泡沫流场具有特殊的水管理特性，需要对其内部两相流动进行深入研究。
目前，对于泡沫材料的数值重构多基于多面胞体假设，也就是认为泡沫材料是由很多个（组）多面胞体组合而成的，这种重构方法能够保证研究人员在有限的计算能力下重构出具有一定物理性质的几何模型，在验证其渗透率、液滴行为后，可用于两相流动的研究。还有一种方法是基于X光三维断层扫描技术，获得金属泡沫材料的几何文件，基于此进行空间离散构建模型，但该方法成本较高，泡沫的孔隙率、孔密度也不易控制，可以作为数值重构模型的验证标准或研究外加条件的变化对两相流变化的影响，但在研究泡沫材料本身物理属性对流动的影响时效率不是很高。
另外，国内外的学者又提出了挡板型流道。挡板型流道分很多种，其中最为典型的是用于丰田公司燃料电池车Mirai上的三维流场。其具有鱼鳞型结构，能够实现导气、分离水的功能，而且支撑性、导电性俱佳，也是未来流场结构发展方向之一。
包志铭的研究方向在于燃料电池内多相流动分析及流道设计，通过开源软件OpenFOAM及有限体积法，研究液滴行为及两相特征，对气体传输、水管理特性加以总结，以辅助流场设计及水管理策略制定。
十、催化层分子动力学模拟
催化层（Catalyst layer, CL）为质子交换膜燃料电池（PEM fuel cell）为电池提供反应场所。催化层一般由催化剂、催化剂载体、电解质等物质组成（图1），因此其内部具有复杂的结构和传输现象，然而由于尺度太小（微纳米量级），很难通过实验直接观测。采用分子模拟（Molecular simulation）的方法，主要研究催化层的关键参数（催化剂材料、结构和载量、电解质分子结构和含量）对其微观结构的影响规律、催化层内部物质传输（质子传递、氧气分子跨膜输运、水分子分布状态、结冰）机理及催化层结构与物质传输之间的内在关联。旨在为高性能PEM fuel cell催化层的材料开发及结构设计提供理论依据。此外，还涉及了质子交换膜的结构、物质传输和导热等特性的研究。
图1 催化层结构
