一种催化剂层微观模型的建立方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种催化剂层微观模型的建立方法及应用，建立方法包括以下步骤：S1、对催化剂层进行模型假设及几何设定，得到催化剂层模型；S2、基于得到的催化剂层模型建立催化剂层的代表性体积单元模型；S3、对所述的代表性体积单元进行有限元分析。与现有技术相比，本发明专利技术以催化剂层的实际微观结构和力学性能为依托，建立催化剂层的三维有限元模型，并进一步研究不同微观结构和实际工况对催化剂层力学性能的影响，分析催化剂层性能提升的规律，这将对优化质子交换膜燃料电池的微观结构和力学性能提供模型参考，有益于电池性能的提升；本发明专利技术还可用于不同使用工况下催化剂层微观结构与物理性能关系的仿真研究。

【技术实现步骤摘要】
一种催化剂层微观模型的建立方法及应用
本专利技术涉及一种燃料电池领域，尤其是涉及一种催化剂层微观模型的建立方法及应用。
技术介绍
催化剂层是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，是燃料电池电极反应发生的场所，一般由Pt/C催化剂、聚合物电解质(Nafion)、水等组成。其中催化剂颗粒为反应活性位置，作为载体的聚合物电解质传递质子，催化层的孔隙则构成反应气体和产物水连贯的传递通道，催化剂、电解质和反应气体接触处构成的三相区是发生反应的主要场所，催化剂层的微观结构与性能决定了燃料电池的性能和循环寿命。Pt/C催化剂与聚合物电解质会在使用过程中发生力学降解，催化剂层的力学降解主要表现为厚度变薄、裂纹或针孔等缺陷出现、催化剂层与气体扩散层间出现分层或错位现象等，这是致使催化剂层退化和失效的主要原因。质子交换膜燃料电池这种材料难以通过实验方法进行分析，计算机模拟计算不仅能够节省资源、给研究带来方便，更重要的是计算机技术的多元型与开放性能赋予计算材料研究不同的视野以及方向。目前，研究人员在实验的基础上建立了催化剂层的一些常用模型用以辅助分析，如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化剂层微观模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、对催化剂层进行模型假设及几何设定，得到催化剂层模型；/nS2、基于得到的催化剂层模型建立催化剂层的代表性体积单元模型；/nS3、对所述的代表性体积单元进行有限元分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种催化剂层微观模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对催化剂层进行模型假设及几何设定，得到催化剂层模型；
S2、基于得到的催化剂层模型建立催化剂层的代表性体积单元模型；
S3、对所述的代表性体积单元进行有限元分析。


2.根据权利要求1所述的一种催化剂层微观模型的建立方法，其特征在于，S1中所述催化剂层模型中，催化剂层包括团聚体及团聚体间的一次空隙。


3.根据权利要求2所述的一种催化剂层微观模型的建立方法，其特征在于，所述团聚体包括碳载铂Pt/C颗粒、设于碳载铂Pt/C颗粒间二次间隙、设于二次间隙间的电解质、包覆于碳载铂Pt/C颗粒上的Nafion膜；
所述碳载铂Pt/C颗粒由C颗粒和Pt颗粒构成，所述C颗粒和Pt颗粒均为球形，所述Pt颗粒均匀负载于C颗粒上。


4.根据权利要求1所述的一种催化剂层微观模型的建立方法，其特征在于，所述代表性体积单元在宏观结构中被视为一个质点，所述代表性体积单元在微观尺度上远大于复合材料的特征尺寸，所述代表性体积单元所包含的微观结构表现出复合材料的微观特性。


5.根据权利要求3所述的一种催化剂层微观模型的建立方法，其特征在于，S2中建立催化剂层的代表性体积单元模型的过程中，包括以下步骤：
在3D建模软件中设定基体相、包含物相和界面相；
将包含物相设置为球体结构，将基体相设置为正方体结构，将界面相设置为包裹于基体相上的壳型结构；
对全局几何选项进行设置，允许包含物相间相互接触以达到更大的体积分数，并采用周期性边界条件，得到modelI。


6.根据权利要求3所述的一种催化剂层微观模型的建立方法，其特征在于，所述基体相为整个催化剂层；
所述包含物相为碳载铂Pt/C颗粒；
所述界面相为包...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯聪，郑进，曲坤南，张存满，明平文，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31