质子交换膜燃料电池催化层局部氧气传输过程仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池催化层局部氧气传输过程仿真方法，模型的建立包括了6个部分：构建催化剂载体模型；构建催化剂模型；构建全氟磺酸聚合物、水分子、水合氢离子和氧气分子模型；构建电解质薄膜覆盖催化剂及其载体的初始模型；构建电解质薄膜覆盖催化剂及其载体的平衡模型；以及构建氧气穿越电解质薄膜传输过程模型。综合考虑催化层微观结构及氧气传输现象，包含对如催化剂周围电解质薄膜形貌和氧气传输路径等关键性问题的合理解释。提供了一个较完整的以实验方法难以观测的催化剂周围微观传输现象的方法。为进一步研究催化层局部氧气传输机理和局部结构优化设计提供了有效工具。供了有效工具。供了有效工具。

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池催化层局部氧气传输过程仿真方法


[0001]本专利技术属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种对质子交换膜燃料电池催化层氧气传输过程建立计算模型的方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池可将氢能转换成电能而不产生污染物，并具有功率密度高、转换效率高和快速启动等优势，被广泛认为是一项极具前景的清洁能源技术。近年来，质子交换膜燃料电池的功率密度得到了显著提升，推动了其快速发展，然而在其大规模商业化应用前，仍有一些技术需要突破。质子交换膜燃料电池的催化层是其电化学反应发生的场所，催化层是由催化剂聚团和全氟磺酸聚合物电解质薄膜构成的多孔结构，其内部孔隙中的氧气分子需要穿越覆盖在催化剂上的电解质薄膜，才能到达催化剂表面发生反应，由此产生了很高的氧气传输阻力，严重限制了高性能低铂燃料电池技术的发展。
[0003]质子交换膜燃料电池催化层中催化剂颗粒的尺寸仅有数纳米，很难利用实验的方法对其周围的传输现象进行观测。分子动力学模拟则是探究微纳尺度传输现象最合适的方法之一，能够帮助探究氧气穿越电解质薄膜到达催化剂颗粒表面的现象，指导质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.质子交换膜燃料电池催化层局部氧气传输过程仿真方法，其特征是：模型的建立过程包括：构建催化剂载体模型；构建催化剂模型；构建全氟磺酸聚合物、水分子、水合氢离子和氧气分子模型；构建电解质薄膜覆盖催化剂及其载体的初始模型；构建电解质薄膜覆盖催化剂及其载体的平衡模型；以及构建氧气穿越电解质薄膜传输过程模型，其步骤如下：(1)构建催化剂载体模型以无定形碳作为催化剂载体，采用混合逆向蒙特卡洛方法，拟合实验衍射结构信息并最小化系统能量来生成无定形碳结构，其构建过程为：首先，在设定体积的模拟盒子中随机分布碳原子，根据无定形碳的密度来确定碳原子的数目；然后，随机选择一个碳原子，把这个原子的位置标为Old；之后，模拟尝试将这个碳原子移动到一个新的随机位置，该位置与原来位置之间的距离不能超过设定的最大步长距离，将其标记为New；随后，对本次移动进行判定，其依据是使误差函数χ不断最小化，该误差函数包括了对整体结构和能量的约束，旧位置Old和新位置New的误差函数分别为：旧位置Old和新位置New的误差函数分别为：S为结构因子函数，g为径向分布函数，B为键角分布函数，S、g和B函数均需要离散取值，将函数在特定区间内分别线性离散成i、j和k个数据点，分别计算S(i)、g(j)和B(k)，下标old表示原子移动前的数值，下标new表示原子移动后的数值，下标exp表示实验数值，W
S
、W
g
和W
B
均为加权因子，E
old
表示原子移动前系统的总能量，E
new
表示原子移动后系统的总能量，K
B
为玻尔兹曼常数，T为模拟温度；整个模拟过程从高温开始，模拟线性退火过程，温度逐渐降低到室温，从而得到稳定的无定形碳结构；计算得到原子移动前的误差函数χ
old
和移动后的误差函数χ
new
，如果χ
new
<χ
old
,则接受本次碳原子的移动；否则，接受本次碳原子移动的概率设定为按照以上步骤，不断移动碳原子，直到误差函数不再变化，得到无定形碳模型；(2)构建催化剂模型以铂作为催化剂，依据铂的面心立方晶体结构，其晶格常数为0.39239nm，在给定的空间中填充铂原子，形成不同大小、不同形态的催化剂颗粒；(3)构建全氟磺酸聚合物、水分子、水合氢离子和氧气分子模型以全氟磺酸聚合物为电解质材料，根据全氟磺酸聚合物、水分子、水合氢离子和氧气分子的分子式，确实原子之间的成键关系，构建其分子模型；(4)构建电解质薄膜覆盖催化剂及其...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊林浩，冉澳新，焦魁，杜青，刘智，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：