一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法技术

本发明专利技术提出一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法，采用基于Eyring

【技术实现步骤摘要】
一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其是一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法。

技术介绍

[0002]面对21世纪资源短缺和环境污染的现状，质子交换膜燃料电池因其能量密度高、效率高、理论上零排放、机械寿命长等优点，有相当大的潜力取代传统的内燃机。同时相对于其他种类的燃料电池，质子交换膜燃料电池是低温型燃料电池中的一种，其特点在于启动速度快，功率密度相比其他种类的燃料电池较高。因此质子交换膜燃料电池发展前景十分广阔，有望经深刻研究后大规模应用于汽车、发电等众多领域。目前质子交换膜燃料电池在汽车上的广泛应用仍然面临两个主要挑战:成本和使用寿命。
[0003]铂金(Pt)及Pt基贵金属是目前广泛采用的商用催化剂。当前国际市场单位质量Pt的价格达到约45美元，高昂的催化剂成本严重制约了燃料电池的商业化推广。限制燃料电池耐久性的重要因素之一是催化层中Pt催化剂的老化，特别是在阴极催化层内。Pt催化剂的溶解和再沉淀过程导致阴极催化层内电化学反应面积显著下降，严重降低电池的输出性能，加速电池老化，影响燃料电池寿命。目前对Pt催化剂老化对电池性能的研究主要通过实验进行，但实验所需时间长，成本高，因此构建Pt老化及性能预测数学模型有望在研究中发挥重要作用。目前许多Pt老化模型仅仅研究老化对电化学反应面积的影响，并不能直接反应老化对电池性能的影响。因此，亟需建立一个将Pt颗粒老化与电池性能直接关联起来的数学模型，来对Pt颗粒老化所导致的各种现象和电池性能损失进行预测等。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对在负载循环条件下催化层内铂颗粒老化会导致电池性能衰减的特点，本专利技术提出一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法。
[0005]为实现上述目的，提出以下技术方案：
[0006]一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法，包括以下步骤：
[0007]S1，初始化燃料电池结构参数，生成初始Pt颗粒直径正态分布；
[0008]S2，输入电压曲线，入口气流参数；
[0009]S3，计算Pt溶解和氧化速率，通过扩散方程求解Pt
2+
浓度分布，更新Pt颗粒直径和氧化物覆盖率并计算Pt颗粒表面积和质量；
[0010]S4，计算Pt有效反应面积，平均氧化物覆盖率和平均颗粒半径；
[0011]S5，计算氧气传质阻力和阴阳极催化层反应速率；
[0012]S6，更新性能计算模块参数并计算电池性能和各物理场分布；
[0013]S7，计算相对湿度，电子电势和质子电势之差的分布；
[0014]S8，判断是否循环结束，若是，输出负载循环后电池性能和Pt颗粒直径分布；若否，返回S2。
[0015]本专利技术采用基于Eyring
‑
Polanyi方程推导得出的Pt溶解沉淀和Pt氧化速率方程计算相应反应速率，用于在每个时间步内计算颗粒直径和氧化物覆盖率的变化，进而推演出催化层微观结构变化包括Pt颗粒平均直径，Pt有效催化面积和氧化物覆盖率，传入性能计算模块获取老化后的性能以及电池内各物理场分布，如温度，水蒸气浓度，过电势，而后将物理场分布信息传回老化预测模块进行老化计算，通过时间步迭代最终计算出循环结束后电池的老化情况和性能衰减。循环结束条件：从S2开始到S7为一个时间步循环，S8判断时间步是否为设定的时间步，若是则认为循环结束，若否则认为循环未结束。
[0016]作为优选，所述S1具体包括以下步骤：
[0017]预设铂颗粒平均半径r
Pt,mean
、铂颗粒最大半径r
Pt,max
、铂颗粒最小半径r
Pt,min
，铂载量L
Pt
。将阴极催化层沿厚度方向分为N个控制体，每个控制体内的铂颗粒按其直径分为M个直径组。对于控制体a，各直径组的颗粒数量占比遵循数学期望为r
Pt,mean
的正态分布。
[0018]作为优选，所述S3具体包括以下步骤：
[0019]计算Pt溶解和氧化速率，通过Eyring
‑
Polanyi方程推导得出：
[0020][0021][0022]其中Pt溶解活化焓和总表面张力γ
total
可分别通过式(3)和式(4)计算：
[0023][0024][0025]式(1)
‑
(4)中为Pt
2+
浓度，τ
ij
和dia
ij
分别为第i个控制体第j个直径组颗粒的氧化物覆盖率和直径，T为温度，φ
diff
为电子电势与质子电势之差，RH为相对湿度，V为开路电压；
[0026]Pt颗粒直径和氧化物覆盖率在一个时间步内的变化遵循下列关系：
[0027][0028][0029]其中t0和t0+Δt分别表示本时间步和下一时间步，为Pt的表面位点密度，为Pt的摩尔体积；
[0030]式(1)
‑
(4)中的Pt
2+
浓度在催化层厚度方向上的分布遵循如下扩散方程：
[0031][0032][0033]其中D
Pt
为Pt
2+
的有效扩散系数，为控制体i内第j个直径组内Pt颗粒数量，为催化层厚度，A为电池横截面积。
[0034]作为优选，所述S4具体包括以下步骤：
[0035]S401，计算Pt颗粒总几何表面积电化学反应面积S
ECSA
，Pt颗粒总质量M
Pt
，由式(9)
‑
(11)计算：
[0036][0037][0038][0039]其中上标t表示t时刻，0表示初始时刻，ρ
Pt
为Pt密度；
[0040]S402，计算Pt的实际反应面积S
ASA
，平均氧化物覆盖率τ
Pto
和平均颗粒半径r
Pt
：
[0041][0042][0043][0044]作为优选，所述S5具体包括以下步骤：
[0045]氧气传质阻力和阴阳极催化层反应速率计算过程如下所示：
[0046][0047][0048][0049][0050][0051]δ
N，eff
＝δ
N
ρ
Pt
(1
‑
w
Pt
％)(r
C
+δ
N
)2(r
Pt
)3((1
‑
τ
Pto
)ρ
C
w
Pt
％)
‑1(r
Pt
)
‑2(r
C
)
‑3#(18)
[0052][0053][0054][0055][0056][0057]式(1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法，其特征是，包括以下步骤：S1，初始化燃料电池结构参数，生成初始Pt颗粒直径正态分布；S2，输入电压曲线，入口气流参数；S3，计算Pt溶解和氧化速率，通过扩散方程求解Pt
2+
浓度分布，更新Pt颗粒直径和氧化物覆盖率并计算Pt颗粒表面积和质量；S4，计算Pt有效反应面积，平均氧化物覆盖率和平均颗粒半径；S5，计算氧气传质阻力和阴阳极催化层反应速率；S6，更新性能计算模块参数并计算电池性能和各物理场分布；S7，计算相对湿度，电子电势和质子电势之差的分布；S8，判断是否循环结束，若是，输出负载循环后电池性能和Pt颗粒直径分布；若否，返回S2。2.根据权利要求1所述的一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法，其特征是，所述S1具体包括以下步骤：预设铂颗粒平均半径r
Pt,mean
、铂颗粒最大半径r
Pt,max
、铂颗粒最小半径r
Pt,min
，铂载量L
Pt
。将阴极催化层沿厚度方向分为N个控制体，每个控制体内的铂颗粒按其直径分为M个直径组。对于控制体a，各直径组的颗粒数量占比遵循数学期望为r
Pt,mean
的正态分布。3.根据权利要求1所述的一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法，其特征是，所述S3具体包括以下步骤：计算Pt溶解和氧化速率，通过Eyring
‑
Polanyi方程推导得出：Polanyi方程推导得出：其中Pt溶解活化焓和总表面张力γ
total
可分别通过式(3)和式(4)计算：可分别通过式(3)和式(4)计算：
式(1)
‑
(4)中为Pt
2+
浓度，τ
ij
和dia
ij
分别为第i个控制体第j个直径组颗粒的氧化物覆盖率和直径，T为温度，φ
diff
为电子电势与质子电势之差，RH为相对湿度，v为开路电压；Pt颗粒直径和氧化物覆盖率在一个时间步内的变化遵循下列关系:Pt颗粒直径和氧化物覆盖率在一个时间步内的变化遵循下列关系:其中t0和t0+Δt分别表示本时间步和下一时间步，为Pt的表面位点密度，为Pt的摩尔体积；式(1)
‑
(4)中的Pt
2+
浓度在催化层厚度方向上的分布遵循如下扩散方程：浓度在催化层厚度方向上的分布遵循如下扩散方程：其中D
Pt
为Pt
2+
的有效扩散系数，为控制体i内第j个直径组内Pt颗粒数量，为催化层厚度，A为电池横截面积。4.根据权利要求3所述的一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法，其特征是，所述S4具体包括以下步骤：S401，计算Pt颗粒总几何表面积电化学反应面积Pt颗粒总质量M
Pt
，由式(9)
‑
(11)计算：(11)计算：(11)计算：其中上标t表示t时刻，0表示初始时刻，ρ
Pt
为Pt密度；S402，计算Pt的实际反应面积S
ASA
，平均氧化物覆盖率τ
PtO
和平均颗粒半径r
Pt
：：
5.根据权利要求4所述的一种考虑相对湿度对燃料电池催化层性能影响的分析方法，其特征是，所述S5具体包括以下步骤：氧气传质阻力和阴阳极催化层反应速率计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏强峰，都敏强，周咏槟，姚晓立，朱宗林，李传才，曹晨宇，柳雨晴，蒋理想，屠晔炜，杨巍立，周刚，吴伟江，陈荣伟，杜九江，沈健，金星，邓涛，赵晓莉，邹海宝，
申请(专利权)人：嘉兴市恒光电力建设有限责任公司，
类型：发明
国别省市：