碳纖維紙是氫燃料電池堆的關(guān)鍵材料，在促進水排出和燃料供應(yīng)方面起著至關(guān)重要的作用。它由碳纖維、粘合劑和涂層等材料組成。隨著時間的推移，這些材料的排列、結(jié)構(gòu)和涂層狀況會發(fā)生變化，導(dǎo)致燃料電池的性能下降。因此，分析碳纖維紙的微觀結(jié)構(gòu)已成為診斷燃料電池狀況的必要步驟。
然而，迄今為止，實時分析碳纖維紙的高分辨率微觀結(jié)構(gòu)仍是不可能的。這是因為要獲得準確的分析結(jié)果，需要破壞碳纖維紙樣品，然后用電子顯微鏡進行詳細檢查。
為了解決現(xiàn)有分析方法的局限性，研究團隊開發(fā)了一種使用X射線診斷和基于AI的圖像學(xué)習(xí)模型來分析碳纖維紙微觀結(jié)構(gòu)的技術(shù)。值得注意的是，該技術(shù)僅使用X射線斷層掃描就可以進行精確分析，而無需使用電子顯微鏡。因此，它可以實現(xiàn)近乎實時的狀態(tài)診斷。
研究團隊從200多個碳纖維紙樣本中提取了5000幅圖像，并利用這些數(shù)據(jù)訓(xùn)練了機器學(xué)習(xí)算法。訓(xùn)練后的模型能夠預(yù)測碳纖維紙關(guān)鍵成分(包括碳纖維、粘合劑和涂層)的三維分布和排列，準確率超過98%。
此功能可以將碳纖維紙的初始狀態(tài)與當前狀態(tài)進行比較，從而立即識別性能下降的原因。該研究結(jié)果發(fā)表在《應(yīng)用能源》雜志上。
傳統(tǒng)的分析方法是將碳纖維紙樣品粉碎后，用電子顯微鏡進行分析，至少需要兩個小時才能完成。而研究團隊開發(fā)的分析模型，僅使用X射線斷層掃描設(shè)備，就能在幾秒鐘內(nèi)識別出碳纖維紙的劣化、受損部位和受損程度。
此外，研究團隊利用所開發(fā)模型的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地識別了碳纖維紙厚度、粘合劑含量等設(shè)計因素對燃料電池性能的影響，并提取了最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，提出了以提高燃料電池效率為目標的理想設(shè)計方案。
