[发明专利]燃料电池催化层的性能分析方法、装置、设备及存储介质

说明书

本申请涉及燃料电池催化层的性能分析方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：基于催化层的扫描图像构建催化层的数值模型；基于数值模型，利用格子玻尔兹曼方法模拟水动力行为，得到固相分布数据和液态水的流动特征数据；液态水的流动特征数据包括液态水在催化层中的迁移与再分布的特征数据；基于液态水的流动特征数据，利用孔尺度模型，确定数值模型中气体的扩散率和带电物质的导电率；根据固相分布数据和基于局部饱和度的有效因子确定活化比表面积；基于液态水在催化层中的迁移与再分布的特征数据、气体的扩散率、带电物质的导电率和活化比表面积，得到催化层的性能参数。如此，可以准确评估燃料电池催化层的性能状态。

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池催化层的性能分析方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

质子交换膜燃料电池(protonexchange membrane fuel cell，PEMFC)是一种高效的能量转换装置，能够将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能，具有绿色环保、高比能量、低温快速启动和高平稳运行的特点。

PEMFC由三个主要部件组成:膜电极组件(Membrane ElectrodeAssemblies，MEA)，阴(Cathode)阳(Anode)多孔电极和集流双极板(BipolarPate，BP)。在阳极催化层处，氢气通过多孔电极扩散到膜电极表面并在铂(Pt)催化剂的作用下发生氢的氧化反应(HydrogenOxidation Reaction,HOR)转换成质子和电子。发生电化学反应的膜电极组件是PEMFC的核心，最常用类型的聚合物交换膜具有高带隙(Band Gap)结构,使之成为电子的绝缘体。因此，电子只能通过多孔电极以及双极集流板经由外部电路从阳极电极转移到阴极。在阴极催化层处，分别通过聚合物膜和外部电路迁移的质子和电子以及从阴极流道扩散而来的氧气聚集在一起并发生氧的还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)。水是该反应唯一的副产物,将从催化层渐渐向微孔层和气体扩散层移动，最终通过集流板中的气体流道离开，由汽车排气管排出，可以实现汽车尾气零排放的目的。

虽然PEMFC具有优越的工作性能以及环境友好性，但仍然存在许多关键性的技术问题阻碍了其全面商业化的脚步，例如，水管理、热管理、耐久性以及高效催化技术问题。PEMFC中的水管理问题涵盖了组成电池的每一个部件：质子交换膜(Proton ExchangeMembrane,PEM)、催化层(Catalyst Layer,CL)、微孔层(Micro Porous Layer，MPL)、气体扩散层(Gas DiffusionLayer，GDL)以及气体流道。

燃料电池内水的运输对系统性能有着显著影响。为了保持PEMFC中的高质子传导性，聚合物膜必须保持有一定量的含水率以避免膜干涸，但过多的水会引起催化层、微孔层、气体扩散层或气体通道内出现“水淹”现象，抑制气体反应物运输到反应位点，并使得部分活性位点失活，降低了装置的效率。

因此，恰当的水管理是提高PEMFC工作性能的关键技术，特别是对于阴极各组件来说。但是，在目前的燃料电池仿真手段中，尚未有一种有效的方式去评估水淹对电极性能的影响。

发明内容

本申请实施例提供了一种燃料电池催化层的性能分析方法、装置、设备及存储介质，可以较为真实的去模拟不同水分布条件下的催化层的微观形态，通过引入有效因子来修正ECSA，以反映水淹对催化剂粒子活化所带来的负面影响，从而可以准确评估燃料电池催化层的性能状态。

一方面，本申请实施例提供了一种燃料电池催化层的性能分析方法，包括：

基于催化层的扫描图像构建催化层的数值模型；

基于数值模型，利用格子玻尔兹曼方法模拟水动力行为，得到固相分布数据和液态水的流动特征数据；液态水的流动特征数据包括液态水在催化层中的迁移与再分布的特征数据；