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GeoDict应用文献解读 · 电解槽

从多孔传输层(PTL)、气体扩散电极(GDE)到微孔层(MPL)与隔膜材料，GeoDict仿真软件为电解槽材料研发提供了覆盖图像处理、微结构表征、结构建模、性能仿真直至自动化参数研究的完整数字化工作流程。多伦多大学与于利希研究中心团队的CO₂电解槽案例充分证明：借助GeoDict的人工智能辅助分割、精确的多模态数字孪生构建，以及经过验证的高性能传输仿真,研究人员成功将实验室级原型放大至可商业化的十电池堆叠(10-cell stack)系统，并实现了240小时的稳定运行——这正是"数字化材料设计"从实验室走向产业化的生动例证。GeoDict正助力全球研究机构与企业，在纳米至毫米尺度范围内精准优化电解槽核心材料，加速实现能源工业与交通运输部门的绿色脱碳转型。

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GeoDict材料数字化设计与仿真软件

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GeoDict 应用 · 电解槽

挑战：为气体扩散电极找到最优结构

质子交换膜(PEM)电解是能源工业与汽车工业实现脱碳的关键技术之一。它使富余的可再生电力得以用于制氢，从而将电力、供热与交通这三大工业部门紧密联系在一起。

无论是水(H₂O)电解还是二氧化碳(CO₂)电解，多孔传输层的结构设计都起着至关重要的作用。对这些传输层进行智能化材料设计，可优化电极的效率、耐久性与产物选择性。在这方面，GeoDict仿真软件能够对纳米级至毫米级范围内的关键材料参数进行针对性优化，从而可持续地降低研发与生产成本。

延伸阅读:GeoDict 氢能研发白皮书

《GeoDict for Hydrogen Energy R&D》白皮书——详细介绍 GeoDict 如何助力电解槽材料的研发。下载PDF：https://www.math2market.com/fileadmin/Showroom/03-MediaHub/Whitepaper/2024-04_GeoDict_Whitepaper_EChem_Fuel_Cells.pdf

GeoDict解决方案亮点一览

基于人工智能,对三维图像数据中的对象进行自动分割与识别;
在微观尺度生成材料真实的统计学数字孪生模型;
确定关键的几何与物理参数;
对物理性能进行定量、高性能仿真;
面向新型材料设计的自动化参数化研究。

GeoDict助力电解槽材料数字化研发的四大步骤

在微观尺度上对隔膜(分离层)进行分析、理解、构建与优化。借助 GeoDict,Math2Market 让您的材料研发工作实现真正的数字化。

图像处理与图像分析：借助 GeoDict 导入并处理三维图像数据。基于人工神经网络(KNN)的最新人工智能技术,可对全部材料成分及各类对象进行识别分析,实现单根纤维微结构的表征——单根纤维及其他对象均可被检测与表征。 使用模块:GeoDict Base Functionality、ImportGeo-Vol、ImportGeo-CAD、FiberFind
表征与分析：通过对材料成分及对象的深入分析,GeoDict 的结构生成器可创建材料真实的数字孪生模型;借助随机生成器引入统计学差异以降低仿真误差,并结合为各组成材料赋值属性的数据库,共同生成"统计学数字孪生"。 使用模块:GeoDict Base Functionality、PoroDict、MatDict、ElastoDict、FlowDict、DiffuDict、ConductoDict、SatuDict
建模与设计：GeoDict 可确定真实或人工生成微结构的关键几何与物理参数,包括孔隙率、颗粒/孔隙尺寸分布、活性表面积、迂曲度、Gurley 值等。 使用模块:GeoDict Base Functionality、ProcessGeo、LayerGeo、FiberGeo、GrainGeo、WeaveGeo
集成与自动化：基于 Python 的自动化工具可实现仿真与工作步骤的耦合,以完成大规模参数化研究,即便是机械压缩条件下传输性能优化等复杂问题,也能实现数字化处理。 使用模块:GeoDict Base Functionality、GeoPy

模块推荐一览

分类	推荐模块
导入与图像处理	ImportGeo-Vol、ImportGeo-CAD
图像分析	GrainFind-AI、FiberFind-AI、PoroDict + MatDict
建模与设计	GrainGeo、FiberGeo、WeaveGeo
仿真与预测	DiffuDict、ConductoDict、FlowDict、ElastoDict、AddiDict、SatuDict

除GeoDict Base之外,GeoDict 软件包中已涵盖燃料电池及电解槽材料研发所需的全部模块。具体最适合的模块组合，取决于您的具体应用需求，欢迎联系我们获取项目相关的详细建议。

应用案例：通过改善微结构延长CO₂电解槽的使用寿命

电极微结构优化 · 应用 GeoDict 完成

通过改善微结构以延长 CO₂ 电解槽使用寿命，是近期发表的论文 《Scalability and stability in CO2 reduction via tomography-guided system design》 的研究目标，该论文作者包括 C. P. O'Brien、D. McLaughlin、T. Böhm、Y. C. Xiao、J. P. Edwards、C. M. Gabardo、M. Bierling、J. Wicks、A. S. Rasouli、J. Abed、D. Young、C.-T. Dinh、E. H. Sargent、S. Thiele 及 D. Sinton。

CO₂ 电解槽商业化面临的挑战

当前最先进的气体扩散电极(GDE)用于 CO₂ 电解时，面临的挑战主要包括盐析结晶的控制，以及电解产物液体表面张力过低的问题。这些液体会开始润湿微孔层(MPL)，并导致孔隙堵塞，从而限制了商用 GDE 在 CO₂ 电解中的稳定性。要成功实现 CO₂ 电解的商业化应用，必须解决这些问题。

具备优化微结构的创新原型

来自多伦多大学与著名的于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)可再生能源亥姆霍兹研究所(Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg)的研究人员,通过微结构优化,在提升面向 C2+ 产物的 CO₂ 电解用 GDE 性能方面取得了重要进展。研究团队采用多模态层析成像技术(包括 X 射线、FIB-SEM 及 EDX)对一款商用 GDE 的数字孪生以及一款改进型数字原型 GDE 进行了分析比较。基于 GeoDict 建立的数字孪生模型及其相应仿真,最终催生出一款改进的原型设计,并成功地由 5 cm² 的实验室规模起点,放大至 800 cm² 电池。

该原型的创新设计之处,在于在微孔层(MPL)中引入了聚四氟乙烯(PTFE)渗流网络,以应对可能堵塞纳米级孔隙的盐析结晶与润湿问题。为深入理解这类电极的内部机制,研究人员使用 GeoDict 的 PoroDict 模块分析了颗粒与孔隙尺寸,获得了关于其微结构特征的重要洞见;随后,他们利用 FlowDict、ConductoDict 及 DiffuDict 模块确定了传输参数。仿真结果显示,扩散通量与渗透率保持稳定,但与传统设计相比,电子传导性能出现了明显下降。

基于这一发现,研究团队开发出一款采用更薄微孔层的新型放大原型,以提升其电子导电性。这款经放大的气体扩散层(GDL),在 800 cm² 及 8,000 cm² 十电池堆叠中,均实现了长达 240 小时的稳定运行,创下了迄今已发表的、面向 C2+ 产物的 CO₂ 还原反应中规模最大的示范案例。

这项研究充分展示了通过 GeoDict 对 GDE 微结构进行仿真与优化的数字化材料设计方法,在推动 CO₂ 电解商业化应用方面所蕴藏的巨大潜力。

通往商业化的道路及作者感言

该微结构研究所获得的洞见,已催生出一项专利申请,并计划由专注于 CO₂ 电解技术商业化的公司 CERT Systems Inc. 加以应用。

论文作者 David McLaughlin 表示：GeoDict 为本项研究的发现做出了重要贡献，尤其是其人工智能辅助分割功能，在获取高保真数字孪生模型方面发挥了重要作用；研究团队借助数字化微结构分析与物理仿真，对数字孪生的各项性能进行了表征。

参考文献 [1] C. P. O'Brien, D. McLaughlin, T. Böhm, Y. C. Xiao, J. P. Edwards, C. M. Gabardo, M. Bierling, J. Wicks, A. S. Rasouli, J. Abed, D. Young, C.-T. Dinh, E. H. Sargent, D. Sinton, S. Thiele, "Scalability and stability in CO2 reduction via tomography-guided system design", Joule, 2024. DOI: 10.1016/j.joule.2024.07.004

原文链接:Extending the lifetime of CO2 electrolyzers by improving their microstructure
https://www.math2market.com/geodict-software/geodict-applications/electrolyzers/extending-the-lifetime-of-co2-electrolyzers.html

结语

从多孔传输层(PTL)、气体扩散电极(GDE)到微孔层(MPL)与隔膜材料，GeoDict仿真软件为电解槽材料研发提供了覆盖图像处理、微结构表征、结构建模、性能仿真直至自动化参数研究的完整数字化工作流程。多伦多大学与于利希研究中心团队的CO₂电解槽案例充分证明：借助GeoDict的人工智能辅助分割、精确的多模态数字孪生构建，以及经过验证的高性能传输仿真,研究人员成功将实验室级原型放大至可商业化的十电池堆叠系统，并实现了240小时的稳定运行——这正是"数字化材料设计"从实验室走向产业化的生动例证。GeoDict正助力全球研究机构与企业，在纳米至毫米尺度范围内精准优化电解槽核心材料，加速实现能源工业与交通运输部门的绿色脱碳转型。

如您希望进一步了解GeoDict在电解槽材料研发领域的具体应用，或希望获取免费试用许可，欢迎联系覃思科技，我们将根据您的实际需求提供专业的技术支持与解决方案建议。

具有钢结构工程专业承包二级资质、建筑工程施工总承包贰级资质；公司主营产品包括重钢、轻钢、网架及檩条、彩钢板等钢结构产品；近年来，公司承接了国内外大型结构件、桥梁、车库、标准化厂房等具有较大影响力的一系列项目；产品远销白俄罗斯、赞比亚、印尼等国家，得到了一致好评。

关键词： GeoDict应用文献解读 · 电解槽