【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于氢燃料电池，涉及一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法及相关装置。
技术介绍
1、氢燃料电池催化层是影响电池性能的关键组件，覆盖在低铂催化剂表面的离聚物膜和多尺度多层级孔隙形貌是导致高电流密度下电池性能衰减的主要原因。中空碳是指在纳米碳壳内部具有适当孔隙分布的碳纳米结构，具有较高的比表面积，较大的孔隙率，中空碳载体可减轻离聚物对催化剂的毒化，并提高氧气在催化层内的微观传输，进而提升电池性能和耐久性。
2、催化层性能与开孔碳载体微观结构形貌密切相关，现有开孔碳载体的合成策略可分为三大类：硬模板，软模板和无模板方法，其中硬模板是最常用的方法。然而硬模板法仍存在一些问题，例如硬模板必须预先制作，硬模板的合成复杂繁多，从而使得经济成本和时间成本增加，因此预先通过数值计算再进行催化层的合成可以降低成本；针对催化层的数值模拟方法具有耗时短，成本低，适用范围广，能够快速准确的反映催化层真实微观结构等优点，准确重构中空碳微观结构对于理解电池真实反应输运性能具有重要意义，且能减少实验的试错次数，从而减小实验所需的时间成本与经济成本。目前对于微观结构数值重构有两种常用的技术：扫描成像技术和随机数值重构技术。扫描成像技术是一种非侵入式成像方法，主要通过使用x射线进行多孔组件的重构；随机数值重构技术是通过以微观结构的特征属性(例如孔隙率、粒径分布等)为参考来选择模型参数，调整模型参数随机生成符合真实微观结构的几何模型。扫描成像技术强烈依赖于实验设备的空间分辨率和材料的基本属性，具有较高的重构成本，相比之下，随机数值重构技
技术实现思路
1、本专利技术提供一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法及相关装置，以解决现有技术的催化层数值重构方法难以全面反映真实催化层的非均质特性，难以实现对复杂的中空碳载体的数值重构和催化层传质阻力计算的技术问题。
2、为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
3、第一方面，本专利技术提供一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，包括以下步骤：
4、建立计算区域并设定催化层的微观结构参数；
5、根据催化层的微观结构参数在计算区域内生成中空碳；
6、对生成的中空碳分布铂颗粒并覆盖液态水，生成中空碳催化层；
7、统计中空碳催化层的特征数据，输出中空碳催化层的微观结构数值；
8、根据中空碳催化层的微观结构数值，采用极限电流密度方法计算氧气在中空碳催化层内的传质阻力。
9、进一步地，所述建立计算区域并设定催化层的微观结构参数的步骤，具体包括：建立计算区域，设定催化层的厚度、宽度，设定铂载量、孔隙度、ic比、碳颗粒重叠率、最多相邻碳颗粒数量、无铂分布的碳颗粒数量、碳壳厚度、碳颗粒内孔体积占比。
10、进一步地，所述根据催化层的微观结构参数在计算区域内生成中空碳，具体包括：
11、s201，根据催化层的微观结构参数，首先在计算区域中随机生成一个碳中心点，并根据随机数生成半径，其中不同介质的格点采用以下方法判断：
12、
13、然后生成第二个碳，先在计算区域中随机生成球碳坐标，其次通过随机数结合实验数据给予其半径，具体公式如下：
14、
15、其中，rs为碳颗粒半径，单位为纳米；ranf为随机函数；a、b、c、d和e为预先设定的碳颗粒粒径区间值；r1为第一碳颗粒半径；r2为第二碳颗粒半径；r3为第三碳颗粒半径；r4为第四碳颗粒半径；r5为第五碳颗粒半径；
16、根据预先设定的碳颗粒重叠率和最多相邻碳颗粒数量，对第二个碳的生成位置进行约束，具体公式如下：
17、(x-x0)2+(x-x0)2+(x-x0)2≤rs
18、其中，(x0,y0,z0)为随机变化的球碳坐标；
19、重复本步骤生成碳颗粒，直到达到预设的碳体积分数，所述碳体积分数的计算公式为：
20、
21、
22、其中，ρion为离聚物的密度；ρcarbon为碳的密度；ε为孔隙率；εpt为铂的体积分数；lpt为铂载量；δ为催化层厚度；εcarbon为碳的体积分数；ρpt为铂密度；ic为离聚物与碳载体质量百分比；
23、s202，在步骤s201生成的碳颗粒表面覆盖离聚物；
24、s203，在碳颗粒表面挖孔并挖空碳颗粒内部；通过三个参数：深度h、水平圆心角θ与竖直圆心角ω来确定挖孔的位置与大小，三个参数均由通过随机数来确定，挖孔时将离聚物也挖空；对每个碳颗粒执行挖孔后，判断其内孔体积占比是否达到设定值，如若达到，则停止挖孔；随后在每个球碳坐标点生成空心孔隙球，将碳颗粒内部挖空，使其碳壳厚度达到预设值，完成中空碳的生成。
25、进一步地，所述在步骤s201生成的碳颗粒表面覆盖离聚物的步骤，具体包括：
26、先设定一个阈值，之后对所有碳颗粒生成一个随机数，判断随机数与阈值的大小，小于该阈值的碳颗粒在其表面生成1层离聚物，厚度为1nm，并在生成离聚物时判断所生成位置是否为碳载体，若为碳载体，则该位置不生成离聚物；遍历所有碳颗粒后，第一次循环结束；随后进入第二次循环，生成方法与第一次循环相同，重复此步骤；在每一次循环后，判断当前离聚物含量是否达到预设值，若达到，则循环终止。
27、进一步地，所述对生成的中空碳分布铂颗粒并覆盖液态水的步骤，具体包括：
28、s301，计算生成的中空碳的初始孔径分布，在与周围碳颗粒相切的情况下，在孔隙中以最大半径生成小球，小球的半径即为该区域的孔径；
29、s302，对生成的中空碳分布铂颗粒；生成铂颗粒的位置为步骤s301中统计孔径分布小球的位置，生成结束后，统计ecsa；所述ecsa的计算公式如下：
30、
31、其中，apt为铂颗粒的表面积；lpt为铂载量；δ为催化层厚度；
32、将统计得到的ecsa与预设值进行比对，若不符合设定值，则更新铂颗粒粒径分布，并重新生成铂颗粒；
33、所述更新原则为：若重构获得的ecsa较预设值偏低，则增加小粒径铂颗粒含量；若重构获得的ecsa较预设值偏高，则增加大粒径铂颗粒的含量；
34、s303，在铂颗粒与碳颗粒相接触的内孔中生成液态水；采用kelvin方程判断指定温湿度和润湿性条件下水蒸气的临界凝聚尺寸，若实际孔隙尺寸较临界凝聚尺寸小，则将该孔隙设定为液态水，具体公式如下：
35、
36、其中，dp为临界孔径；vm为水的摩尔体积；rh为相对湿度；r为普适气体常数；t为温度；γ为水的表面张力。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述建立计算区域并设定催化层的微观结构参数的步骤，具体包括：建立计算区域，设定催化层的厚度、宽度，设定铂载量、孔隙度、IC比、碳颗粒重叠率、最多相邻碳颗粒数量、无铂分布的碳颗粒数量、碳壳厚度、碳颗粒内孔体积占比。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述根据催化层的微观结构参数在计算区域内生成中空碳，具体包括：
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述在步骤S201生成的碳颗粒表面覆盖离聚物的步骤，具体包括：
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述对生成的中空碳分布铂颗粒并覆盖液态水的步骤，具体包括：
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述统计中空碳催化层的特征数据的步骤，具体包
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述根据中空碳催化层的微观结构数值，采用极限电流密度方法计算氧气在中空碳催化层内的传质阻力的步骤，具体包括：
8.一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算系统，其特征在于，包括：
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述建立计算区域并设定催化层的微观结构参数的步骤，具体包括：建立计算区域，设定催化层的厚度、宽度，设定铂载量、孔隙度、ic比、碳颗粒重叠率、最多相邻碳颗粒数量、无铂分布的碳颗粒数量、碳壳厚度、碳颗粒内孔体积占比。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述根据催化层的微观结构参数在计算区域内生成中空碳，具体包括：
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述在步骤s201生成的碳颗粒表面覆盖离聚物的步骤，具体包括：
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池催化层微观重构与传质阻力计算方法，其特征在于，所述对生成的中空碳分布铂颗粒并覆盖液态水的步骤，具体包括：
【专利技术属性】
技术研发人员：母玉同，张千禧，屈治国，何璞，陶文铨，杨卫卫，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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