CN108171004A - 质子交换膜的仿真评价、仿真参数优化方法及设备、介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及质子交换膜的仿真评价、仿真参数优化方法及设备、介质，仿真评价方法包括输入质子交换膜配方信息，质子交换膜配方信息包括配方数据、结构数据和工况数据；对质子交换膜配方信息进行包括质子交换膜虚拟合成、质子交换膜工况采样、质子交换膜虚拟测试的操作处理，最终得到包括质子交换膜的力学性质、流动性质、结构性质和透气性质的仿真评价结果，并通过仿真参数优化，实现快速可靠评价质子交换膜性能。本发明提供的质子交换膜的仿真评价、仿真参数优化方法及设备、介质，能够快速预测质子交换膜性能，并针对仿真参数进行自学习优化，有利于提高新型复合材料燃料电池的开发效率。
Description
技术领域
本发明涉及交换膜仿真评价技术领域，具体涉及质子交换膜的仿真评价、仿真参数优化方法及设备、介质。
背景技术
燃料电池是将存储在燃料中的化学能直接转化为电能的装置。由于其具有不受卡诺循环限制，能量转化效率高，洁净无污染，模块化设计部署灵活的众多优点，在交通运输、电力储能、电子设备等领域都具有广阔的市场前景。“在新能源汽车领域，燃料电池汽车具有环保性能佳、转化效率高、加注时间短、续航里程长等优势，是未来汽车工业可持续化发展的重要方向，是应对全球能源短缺和环境污染的重要战略举措。发展燃料电池汽车已成为全球汽车与能源产业转型升级的重要突破口。”(《上海市燃料电池汽车发展规划》，2017)
质子交换膜燃料电池也被称作高分子电解质燃料电池，是一种最典型的燃料电池。每个质子交换膜燃料电池模组的基本结构主要是由阴极，阳极，电解质膜和外电路组成。其中质子交换膜作为电解质膜的核心，是一种固态电解质膜，它能够隔离电极，为电解液提供质子传导通道。目前广泛应用的质子交换膜大多是全氟磺酸膜，商业化使用的质子交换膜一般是美国杜邦公司生产的Nafion系列膜。随着应用轻量化要求的提高，对燃料电池膜的厚度和重量都提出了更高的要求。探寻具有优异质子传导性能和高稳定性能的复合质子交换膜以替代Nafion系列膜已成为目前的研究热点。
设计新型质子交换膜的最常用思路是通过在现有全氟磺酸膜中添加其他能够增强膜性能的高分子材料，或通过调整全氟磺酸膜高分子链上的官能团，按照一定配方比例与传统膜材料一起组成增强复合膜,在满足高的尺寸稳定性、优异的物理和化学耐久性以及高的质子传导率，三个核心指标的条件下，开发新能膜材料。但在实际研究过程中，实际新型复合膜材料研发困难重重。一个方面，复合材料由于其组分的复杂性和配方比例的复杂性，造成了庞大的排列组合矩阵，使得正交试验设计困难，往往需要大量的重复实验才能有效验证一种可能组分是否适合质子交换膜的需求；另一个方面，质子交换膜的三种核心性能都需要在器件中验证，这就使得单次实验步骤流程很长，极大降低了实验效率。这两个方面的问题造成新型复合膜材料的研究进展缓慢。
为了解决上述问题，引入新的方法和新的工具，提高实验效率，降低实验成本，就成了质子交换膜研发中的关键问题。分子模拟是一种基于各种物理模型，并依靠计算机技术，从原子、分子层面，模拟、预测和解释材料性能的科学研究方法。分子模拟因其独有的高效率和低成本，越来越受到实验科学家的青睐。不仅如此，在过去的20年中，分子模拟方法逐渐由一种定性的研究方法向定量的方向发展，其模拟得到的结果精度越来越高，在很多的材料体系研究中已然成为一种必不可少的辅助手段。
对于质子交换膜的分子模拟研究近年来十分普遍，研究人员一般通过建立不同含水量的质子交换膜模型，使用经典分子模拟方法计算膜的透气性，质子传导性，强度和结构稳定性。但由于研究人员对分子模拟方法的理解和应用程度不同，研究结果准确性差异较大，对于新型材料开发设计的指导和借鉴意义不足。众所周知，在分子模拟仿真中，影响模拟仿真精度的关键是：方法的选择，合理抽象化的模型和严谨的工况处理。在理论方法通识性确定的情况下，影响仿真结果可靠度的核心是正确合理的模型和严谨的工况处理过程。对于复合材料，由于其组成和结构的复杂性，使得用于分子模拟的微观虚拟模型处理技巧性很大，如果不能够选择适宜的建模步骤和处理方法，即便能够保持模型维持设定的组成，也会由于微观结构处理的不合适造成最终模拟结果的偏差。这就对研究人员使用虚拟仿真提出了更高的理论和经验要求，提高了仿真方法的使用门槛，降低了仿真方法的实用性。
综上所述，现有复合材料质子交换膜仿真研究中存在的问题为：
(1)可靠性低。在现有质子交换膜材料仿真研究中，由于质子交换膜的复杂性，在合理抽象化模型的建立和严谨的工况处理方面都缺乏行之有效的处理手段，低水平模拟仿真可信度很低，不能够真正指导实验开发，难以大规模推广；
(2)易用性差。传统分子模拟仿真步骤复杂，对使用人员经验和理论基础要求很高；实际使用过程中操作复杂，易出错，数据一致性差，易用性低；
(3)准确性差。分子模拟在使用过程中参数众多，当步骤增多时众多参数耦合会导致正确参数的选择至关重要，传统方法对参数选择仅凭经验，缺乏有效手段和适当方法来获取正确参数。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供的质子交换膜的仿真评价、仿真参数优化方法及设备、介质，能够实现快速预测质子交换膜性能，并针对虚拟仿真参数进行自学习优化，有利于提高新型复合材料燃料电池的开发效率。
第一方面，本发明提供了一种质子交换膜的仿真评价方法，包括：
通过模板表格输入质子交换膜配方信息，所述质子交换膜配方信息包括配方数据、结构数据和工况数据，其中，所述模板表格列出了仿真评价需要的所有质子交换膜配方信息；
结合所述配方数据和所述工况数据，配方数据根据所述结构数据进行模拟合成，得到第一质子交换膜体相结构；
结合所述配方数据和所述工况数据，对所述第一质子交换膜体相结构进行虚拟工况采样处理，得到第二质子交换膜体相结构和质子交换膜体相轨迹；
对所述质子交换膜体相轨迹进行力学性质计算，得到质子交换膜的力学性质；
对所述质子交换膜体相轨迹进行均方位移分析，得到质子交换膜的流动性质；
获取所述质子交换膜体相轨迹的每一帧结构的孔隙体积数值，并从所述第二质子交换膜体相结构中读取样品总体积，所述孔隙体积数值和所述样品总体积的比值为质子交换膜的结构性质；
在所述第二质子交换膜体相结构中添加气体分子并进行透气性测试，得到质子交换膜的透气性质；
其中，质子交换膜的力学性质、流动性质、结构性质和透气性质即为仿真评价结果。
进一步地，所述配方数据包括：配方组分种类、配方组分比例；
所述结构数据包括：配方小分子单体结构、高分子单体结构、高分子单体配比和高分子链长信息；
所述工况数据包括：质子交换膜含水量、质子交换膜使用温度、质子交换膜使用压力和质子交换膜使用酸碱环境。
进一步地，所述结合所述配方数据和所述工况数据，配方数据根据所述结构数据进行模拟合成，得到第一质子交换膜体相结构，包括：
结合所述配方数据和所述工况数据，根据所述高分子单体结构、所述高分子单体配比和所述高分子链长信息，使用Build Polymer工具构建高分子单链模型；
优化所述高分子单链模型；
根据优化后的高分子单链模型，构建质子交换膜的虚拟样品模型，得到第一质子交换膜体相结构。
进一步地，所述结合所述配方数据和所述工况数据，对所述第一质子交换膜体相结构进行虚拟工况采样处理，得到第二质子交换膜体相结构和质子交换膜体相轨迹，包括：
结合所述配方数据和所述工况数据，对所述第一质子交换膜体相结构进行模型预平衡、模型密度平衡、模型工况平衡、模型精密平衡和模型工况采样，得到第二质子交换膜体相结构和质子交换膜体相轨迹。
进一步地，所述在所述第二质子交换膜体相结构中添加气体分子并进行透气性测试，得到质子交换膜的透气性质，包括：
在所述第二质子交换膜体相结构中添加气体分子，得到第一质子交换膜含气结构，
对所述第一质子交换膜含气结构进行结构优化得到第二质子交换膜含气结构，
对所述第二质子交换膜含气结构进行等温等压系综动力学平模拟，得到第三质子交换膜含气结构，
对所述第三质子交换膜含气结构进行正则系综动力学模拟，得到采样轨迹，
对所述采样轨迹进行均方位移分析，得到气体扩散速率，即为质子交换膜的透气性。
第二方面，本发明提供了一种质子交换膜的仿真参数优化方法，包括：
步骤S1，获取设计质子交换膜的仿真参数；
步骤S2，对所述仿真参数进行排列组合，得到参数正交矩阵，所述参数正交矩阵为所有可行的参数组合的集合；
步骤S3，从所述参数正交矩阵中获取一组参数组合作为质子交换膜配方信息，并执行第一方面中任一项所述的方法，得到该组参数组合的仿真评价结果；
步骤S4，计算所述仿真评价结果与标准结果的差值，记为第一差值，若所述第一差值小于极限值，则记录该参数组合，否则执行步骤S3；
步骤S5，计算记录的参数组合与最优参数的差值，记为第二差值，若所述第二差值小于所述第一差值，则将所述最优参数更新为记录的参数组合；
步骤S6，在当前的参数正交矩阵的基础上，按照设定的参数波动范围生成新的参数正交矩阵，重复执行步骤S3-步骤S5，直至重复次数达到设定的自洽循环次数，输出最优仿真参数。
进一步地，在步骤S1之前，还包括：设置最高精度参数，执行第一方面中任一项所述的方法，得到所述最高精度参数的仿真评价结果，将所述最高精度参数的仿真评价结果作为标准结果。
第三方面，本发明提供了一种质子交换膜的仿真评价方法，包括：第一方面中任一项所述的方法，其中，通过第一方面中任一所述的方法优化仿真评价过程中的仿真参数。
第四方面，本发明提供了一种质子交换膜的仿真评价设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如第三方面中任一项所述的方法。
第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如第三方面中任一项所述的方法。
综上，本发明提供的质子交换膜的仿真评价、仿真参数优化方法及设备、介质，能够实现即可快速预测质子交换膜性能，并针对虚拟仿真参数进行自学习优化，有利于提高新型复合材料燃料电池的开发效率，具体有益效果为：
(1)通过引入仿真减少实验次数，加快研发进度，仿真建模的便捷性使该方法尤其适合复杂配方体系；
(2)仅需要通过表格输入复合材料质子交换膜的结构数据，配方数据和工况数据，即可通过本发明方法获取膜材料的力学性质，流动性质，结构性质和透气性指标，输入输出便捷，简单易用，能够快速推广；
(3)可靠性高，将质子交换膜仿真模拟流程规范化，在流程中针对复合材料质子交换膜特点设计充分驰豫过程，并通过流程化操作确保批量实验的数据可靠性；
(4)准确性高，通过引入参数自学习过程，实现众多参数的自动选择，能够不依赖经验而获取准确结果。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种质子交换膜的仿真评价方法的流程图；
图2为本发明实施例所提供的一种质子交换膜的仿真参数优化方法的流程图；
图3为本发明实施例所提供的质子交换膜的仿真评价设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示，本实施例提供了一种质子交换膜的仿真评价方法，包括：
步骤S101，通过模板表格输入质子交换膜配方信息，所述质子交换膜配方信息包括配方数据、结构数据和工况数据，其中，所述模板表格列出了仿真评价需要的所有质子交换膜配方信息；
其中，模板表格如表1所示。所述配方数据包括：配方组分种类、配方组分比例，配方组分种类为配方组分名称和序号，配方组分比例为配方组分含量比例或含量比例区间。所述结构数据包括：配方小分子单体结构、高分子单体结构、高分子单体配比和高分子链长信息，如果配方中含有小分子组分，将小分子组分原子结构以xsd文件填入模板表格，将高分子单体结构以xsd文件填入模板表格，高分子单体配比为高分子单体配比或配比范围，高分子链长信息包括高分子链长或链长范围。所述工况数据包括：质子交换膜含水量、质子交换膜使用温度、质子交换膜使用压力和质子交换膜使用酸碱环境，质子交换膜含水量为质子交换膜含水量或含水量区间，质子交换膜使用温度为质子交换膜使用温度或温度范围，质子交换膜使用压力为质子交换膜使用压力或压力范围，质子交换膜使用酸碱环境为质子交换膜使用pH或pH区间。
表1
步骤S102，结合所述配方数据和所述工况数据，配方数据根据所述结构数据进行模拟合成，得到第一质子交换膜体相结构；
步骤S103，结合所述配方数据和所述工况数据，对所述第一质子交换膜体相结构进行虚拟工况采样处理，得到第二质子交换膜体相结构和质子交换膜体相轨迹；
步骤S104，对所述质子交换膜体相轨迹进行力学性质计算，得到质子交换膜的力学性质；
其中，力学性质包括杨氏模量、体模量、剪切模量、泊松比、压缩率。
步骤S105，对所述质子交换膜体相轨迹进行均方位移(MSD，Mean SquareDisplacement)分析，得到质子交换膜的流动性质；
其中，流动性质包括质子交换膜扩散速率和氢离子扩散速率。
步骤S106，获取所述质子交换膜体相轨迹的每一帧结构的孔隙体积数值，并从所述第二质子交换膜体相结构中读取样品总体积，所述孔隙体积数值和所述样品总体积的比值为质子交换膜的结构性质；
其中，结构性质包括自由体积分数。
步骤S107，在所述第二质子交换膜体相结构中添加气体分子并进行透气性测试，得到质子交换膜的透气性质；
其中，透气性质包括气体扩散速率，气体扩散速率具体包括O2扩散速率和/或H2扩散速率。
步骤S108，输出仿真评价结果，其中，质子交换膜的力学性质、流动性质、结构性质和透气性质即为仿真评价结果。
最后，按照模板表格将仿真评价结果中的各项性能指标写入到表格中，以输出评价报告。
进一步地，步骤S102具体包括：
步骤S201，根据所述高分子单体结构、所述高分子单体配比和所述高分子链长信息，使用Build Polymer工具构建高分子单链模型；
其中，使用Build Polymer工具过程中需要设置的仿真参数包括：BP重复单元数，BP手性，BP头尾官能团。
其中，为了提高仿真精度，在步骤S201之前还包括：对高分子单体结构进行优化。利用优化后的高分子单体结构构建高分单链模型，提高后续处理结果的精度。具体优化方法为：使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中的Geometry Optimization功能，对高分子单体结构进行结构优化，输出优化后的单体结构，其中，涉及必须设置的参数包括：GO力场，GO电荷，GO加和方式，GO循环次数。
步骤S202，优化所述高分子单链模型；
步骤S203，根据优化后的高分子单链模型，构建质子交换膜的虚拟样品模型，得到第一质子交换膜体相结构。
其中，使用Modules|Amorphous Cell Calculation，使用Task中的Construction功能，构建质子交换膜的虚拟样品模型，输出第一质子交换膜体相结构，即虚拟样品。步骤S203涉及必须设置的参数包括：AC力场，AC电荷，AC加和方式，AC密度1，AC温度1，AC配方分子，AC配方比例。
进一步地，所述步骤S103具体包括：结合所述配方数据和所述工况数据，对所述第一质子交换膜体相结构进行模型预平衡、模型密度平衡、模型工况平衡、模型精密平衡和模型工况采样，得到第二质子交换膜体相结构和质子交换膜体相轨迹。
其中，对所述第一质子交换膜体相结构进行模型预平衡的具体过程包括：
首先，对虚拟样品进行预处理，即使用Forcite对第一质子交换膜体相结构进行结构优化：使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中的Geometry Optimization功能，对虚拟样品进行结构优化，得到预处理的质子交换膜体相结构A1。此步骤涉及必须设置的参数包括：GO力场，GO电荷，GO加和方式，GO循环次数。
接着，对预处理的质子交换膜体相结构A1进行应力驰豫处理，包括：
(1)对预处理的质子交换膜体相结构A1使用Forcite进行退火驰豫。具体为：使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中的Anneal功能，对预处理的质子交换膜体相结构A1进行正则系综系综的退火平衡，输出应力驰豫后的质子交换膜体相结构A2。此步骤涉及必须设置的参数包括：AN力场，AN电荷，AN加和方式，AN退火次数(正则系综)；AN系宗(正则系综)；AN退火低温1(正则系综)；AN退火高温1(正则系综)；AN升温步数1(正则系综)；AN步长(正则系综)；AN步数1(正则系综)。
(2)对应力驰豫后的质子交换膜体相结构A2使用Forcite进行正则系综动力学驰豫。具体为：使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对应力驰豫后的质子交换膜体相结构进行正则系综系宗的动力学平衡，输出预平衡后的质子交换膜体相结构A3。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(正则系综)；MD温度1(正则系综)；MD步长(正则系综)；MD步数1(正则系综)。
其中，进行模型密度平衡的具体过程包括：
首先，对预平衡后的质子交换膜体相结构A3进行密度高温高压驰豫处理，具体包括：
(1)对预质子交换膜体相结构A3使用Forcite进行退火驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中的Anneal功能，对预平衡后的质子交换膜体相结构A3进行等温等压系综系综的退火平衡，输出密度驰豫后的质子交换膜体相结构A4。此步骤涉及必须设置的参数包括：AN力场，AN电荷，AN加和方式，AN退火次数(等温等压系综)；AN系宗(等温等压系综)；AN退火低温1(等温等压系综)；AN退火高温1(等温等压系综)；AN升温步数1(等温等压系综)；AN步长(等温等压系综)；AN步数1(等温等压系综)；AN压力1(等温等压系综)。
(2)对质子交换膜体相结构A4使用Forcite进行等温等压系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对密度驰豫后的质子交换膜体相结构A4进行等温等压系综系宗的动力学平衡，输出密度动力学驰豫后的质子交换膜体相结构A5。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(等温等压系综)；MD温度1(等温等压系综)；MD步长(等温等压系综)；MD步数1(等温等压系综)，MD压力1(等温等压系综)。
接着，对质子交换膜体相结构A5进行密度高压驰豫，具体包括：
(1)对质子交换膜体相结构A5使用Forcite进行退火驰豫。使用Modules|ForctiteCalculation，使用Task中的Anneal功能，对质子交换膜体相结构A5进行等温等压系综系综的退火平衡，输出密度驰豫后的质子交换膜体相结构A6。此步骤涉及必须设置的参数包括：AN力场，AN电荷，AN加和方式，AN退火次数(等温等压系综)；AN系宗(等温等压系综)；AN退火低温2(等温等压系综)；AN退火高温2(等温等压系综)；AN升温步数2(等温等压系综)；AN步长(等温等压系综)；AN步数2(等温等压系综)；AN压力2(等温等压系综)。
(2)对质子交换膜体相结构A6使用Forcite进行等温等压系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对密度驰豫后的质子交换膜体相结构A6进行等温等压系综系宗的动力学平衡，输出密度动力学驰豫后的质子交换膜体相结构A7。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(等温等压系综)；MD温度2(等温等压系综)；MD步长(等温等压系综)；MD步数2(等温等压系综)，MD压力2(等温等压系综)。
然后，对质子交换膜体相结构A7进行密度降压压力驰豫处理，具体包括：
(1)对质子交换膜体相结构A7使用Forcite进行退火驰豫。使用Modules|ForctiteCalculation，使用Task中的Anneal功能，对质子交换膜体相结构A7进行等温等压系综系综的退火平衡，输出密度驰豫后的质子交换膜体相结构A8。此步骤涉及必须设置的参数包括：AN力场，AN电荷，AN加和方式，AN退火次数(等温等压系综)；AN系宗(等温等压系综)；AN退火低温3(等温等压系综)；AN退火高温3(等温等压系综)；AN升温步数3(等温等压系综)；AN步长(等温等压系综)；AN步数3(等温等压系综)；AN压力3(等温等压系综)。
(2)对质子交换膜体相结构A8使用Forcite进行等温等压系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对质子交换膜体相结构A8进行等温等压系综系宗的动力学平衡，输出密度动力学驰豫后的质子交换膜体相结构A9。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(等温等压系综)；MD温度3(等温等压系综)；MD步长(等温等压系综)；MD步数3(等温等压系综),MD压力3(等温等压系综)。
最后，对质子交换膜体相结构A9进行密度工况压力驰豫处理，具体包括：
(1)对质子交换膜体相结构A9使用Forcite进行退火驰豫。使用Modules|ForctiteCalculation，使用Task中的Anneal功能，对质子交换膜体相结构A9进行等温等压系综系综的退火平衡，输出密度驰豫后的质子交换膜体相结构A10。此步骤涉及必须设置的参数包括：AN力场，AN电荷，AN加和方式，AN退火次数(等温等压系综)；AN系宗(等温等压系综)；AN退火低温4(等温等压系综)；AN退火高温4(等温等压系综)；AN升温步数4(等温等压系综)；AN步长(等温等压系综)；AN步数4(等温等压系综)；AN压力4(等温等压系综)。
(2)对质子交换膜体相结构A10使用Forcite进行等温等压系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对质子交换膜体相结构A10进行等温等压系综系宗的动力学平衡，输出密度平衡后的质子交换膜体相结构A11。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(等温等压系综)；MD温度4(等温等压系综)；MD步长(等温等压系综)；MD步数4(等温等压系综),MD压力4(等温等压系综)。
其中，进行模型工况平衡的具体过程包括：
首先，对密度平衡后的质子交换膜体相结构A11进行工况应力消除处理，具体包括：
(1)对密度平衡后的质子交换膜体相结构A11使用Forcite进行正则系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对密度平衡后的质子交换膜体相结构A11进行正则系综系宗的动力学平衡，输出应力动力学驰豫后的质子交换膜体相结构A12。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(正则系综)；MD温度2(正则系综)；MD步长(正则系综)；MD步数2(正则系综)。
(2)对质子交换膜体相结构A12使用Forcite进行退火驰豫。使用Modules|ForctiteCalculation，使用Task中的Anneal功能，对质子交换膜体相结构A12进行正则系综系综的退火平衡，输出应力驰豫后的质子交换膜体相结构A13。此步骤涉及必须设置的参数包括：AN力场，AN电荷，AN加和方式，AN退火次数(正则系综)；AN系宗(正则系综)；AN退火低温3(正则系综)；AN退火高温3(正则系综)；AN升温步数3(正则系综)；AN步长(正则系综)；AN步数3(正则系综)。
(3)对质子交换膜体相结构A13使用Forcite进行正则系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对质子交换膜体相结构A13进行正则系综系宗的动力学平衡，输出应力动力学驰豫后的质子交换膜体相结构A14。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(正则系综)；MD温度3(正则系综)；MD步长(正则系综)；MD步数3(正则系综)。
接着，对质子交换膜体相结构A14进行工况平衡处理，具体包括：对质子交换膜体相结构A14使用Forcite进行等温等压系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对质子交换膜体相结构A14进行等温等压系综系宗的动力学平衡，输出工况平衡后的质子交换膜体相结构A15。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(等温等压系综)；MD温度5(等温等压系综)；MD步长(等温等压系综)；MD步数5(等温等压系综)，MD压力5(等温等压系综)。
其中，进行模型精密平衡的具体过程包括：
(1)对工况平衡后的质子交换膜体相结构A15使用Forcite进行等温等压系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对质子交换膜体相结构A15进行等温等压系综系宗的动力学平衡，输出密度动力学驰豫后的质子交换膜体相结构A16。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(等温等压系综)；MD温度6(等温等压系综)；MD步长(等温等压系综)；MD步数6(等温等压系综)，MD压力6(等温等压系综)。
(2)对读质子交换膜体相结构A16使用Forcite进行正则系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对质子交换膜体相结构A16进行正则系综系宗的动力学平衡，输出精密平衡后的质子交换膜体相结构A17。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(正则系综)；MD温度4(正则系综)；MD步长(正则系综)；MD步数4(正则系综)。
其中，进行模型工况采样的具体过程包括：对精密平衡后的质子交换膜体相结构A17使用Forcite进行正则系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对质子交换膜体相结构A17进行正则系综系宗的动力学平衡，输出工况采样结果：质子交换膜体相结构A18(即第二质子交换膜体相结构)和质子交换膜体相轨迹。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(正则系综)；MD温度5(正则系综)；MD步长(正则系综)；MD步数5(正则系综)。
进一步地，所述步骤S104具体包括：对质子交换膜体相轨迹使用Forcite进行力学性质计算。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Mechanical Properties功能，对质子交换膜体相轨迹进行力学性质计算，输出质子交换膜的力学性质。此步骤涉及必须设置的参数包括：MP力场，MP电荷，MP加和方式，MP循环次数。
进一步地，所述步骤S105具体包括：对质子交换膜体相轨迹使用Forcite进行均方位移分析，以获取扩散速率。将所有H+离子选中并保存为Set后，使用Modules|ForctiteAnalysis|Mean Square Displacement功能，选择Set获取均方位移，并使用均方位移曲线斜率获取H+离子扩散速率；将体系内所有原子保存为Set后，使用Modules|ForctiteAnalysis|Mean Square Displacement功能，选择Sets获取均方位移，并使用均方位移曲线斜率获取质子交换膜扩散速率。从Forcite MSD分析结果中读取H+离子扩散速率和质子交换膜扩散速率。
进一步地，所述步骤S107的具体包括：在所述第二质子交换膜体相结构中添加气体分子，得到第一质子交换膜含气结构；对所述第一质子交换膜含气结构进行结构优化得到第二质子交换膜含气结构；对所述第二质子交换膜含气结构进行等温等压系综动力学平模拟，得到第三质子交换膜含气结构；对所述第三质子交换膜含气结构进行正则系综动力学模拟，得到采样轨迹；对所述采样轨迹进行均方位移分析，得到气体扩散速率，即为质子交换膜的透气性。下面结合O2或H2气体分子，具体阐述样品透气性测试的过程：
首先，对第二质子交换膜体相结构进行充气：
(1)对第二质子交换膜体相结构分别使用AC添加一定量的O2或H2气体分子。使用Modules|Amorphous Cell Calculation，使用Task中的Packing功能，在第二质子交换膜体相结构中添加气体分子，输出第一质子交换膜含气结构。此步骤涉及必须设置的参数包括：AC力场，AC电荷，AC加和方式，AC密度2，AC温度2，AC气体分子，AC气体量。
(2)对第一质子交换膜含气结构使用Forcite进行结构优化。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中的Geometry Optimization功能，对第一质子交换膜含气结进行结构优化，输出第二质子交换膜含气结构。此步骤涉及必须设置的参数包括：GO力场，GO电荷，GO加和方式，GO循环次数。
接着，对第二质子交换膜含气结构进行工况采样，具体包括：
(1)对第二质子交换膜含气结构使用Forcite进行等温等压系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对第二质子交换膜含气结构进行等温等压系综系宗的动力学平衡，输出第三质子交换膜含气结构。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(等温等压系综)；MD温度7(等温等压系综)；MD步长(等温等压系综)；MD步数7(等温等压系综),MD压力7(等温等压系综)。
(2)对第三质子交换膜含气结构使用Forcite进行正则系综动力学驰豫。使用Modules|Forctite Calculation，使用Task中Dynamics功能，对第三质子交换膜含气结构进行正则系综系宗的动力学平衡，输出第三质子交换膜含气结构的采样轨迹。此步骤涉及必须设置的参数包括：MD力场，MD电荷，MD加和方式，MD系宗(正则系综)；MD温度6(正则系综)；MD步长(正则系综)；MD步数6(正则系综)。
最后，进行样品透气性测试，具体包括：对第三质子交换膜含气结构的采样轨迹使用Forcite进行均方位移(MSD)分析，以获取气体扩散速率。将所有O2或者H2气体选中并保存为Set后，使用Modules|Forctite Analysis|Mean Square Displacement功能，选择Set获取均方位移，并使用均方位移曲线斜率获取O2或者H2扩散速率。从Forcite MSD分析结果中读取O2或者H2气体扩散速率，即质子交换膜的透气性质。
本实施例的方法，通过梳理优化流程解决易用性问题，将繁琐复杂的操作步骤流程化，极大减少了操作步骤中人工干预的数量，并大量简化输入输出，通过表格输入复合材料质子交换膜的结构数据，配方数据和工况数据，即可通过本发明方法获取膜材料的力学性质、流动性质、自由体积和透气性指标，使原本复杂过程变成简单易懂的“输入”-“采样”-“输出”三步流程。
通过在操作流程中细化模型工况的处理工艺解决可靠性问题。添加针对复合材料质子交换膜特点设计充分驰豫过程，并通过流程化操作确保批量实验的数据可靠性；并通过统一步骤确保数据一致性和可靠性。
综上，本实施例提供的质子交换膜的仿真评价方法，能够实现通过表格参数输入即可快速预测质子交换膜性能，并针对虚拟仿真参数进行自学习优化，有利于提高新型复合材料燃料电池的开发效率，具体有益效果为：
(1)通过引入仿真减少实验次数，加快研发进度，仿真建模的便捷性使该方法尤其适合复杂配方体系；
(2)通过表格输入复合材料质子交换膜的结构数据，配方数据和工况数据，即可通过本发明方法获取膜材料的力学性质，流动性质，结构性质和透气性指标，输入输出便捷，简单易用，能够快速推广；
(3)可靠性高，将质子交换膜仿真模拟流程规范化，在流程中针对复合材料质子交换膜特点设计充分驰豫过程，并通过流程化操作确保批量实验的数据可靠性。
在上述质子交换膜的仿真评价方法中，共涉及30个操作步骤，34个过程文件和186个必须进行设置和评价的参数。这186个参数的选择对经验和理论基础要求很高，且存在耦合效应，仅通过简单调试很难获取质子交换膜的设计参数的最优组合。在上述质子交换膜的仿真评价方法基础上，本实施例提供了一种质子交换膜的仿真参数优化方法，包括：
步骤S1，获取设计质子交换膜的仿真参数；
步骤S2，对所述仿真参数进行排列组合，得到参数正交矩阵，所述参数正交矩阵为所有可行的参数组合的集合；
步骤S3，从所述参数正交矩阵中获取一组参数组合作为质子交换膜配方信息，并通过质子交换膜的仿真评价方法，得到该组参数组合的仿真评价结果；
其中，质子交换膜的仿真评价方法可选用上述实施例中的任一方法。
步骤S4，计算所述仿真评价结果与标准结果的差值，记为第一差值，若所述第一差值小于极限值，则记录该参数组合，否则执行步骤S3；
步骤S5，计算记录的参数组合与最优参数的差值，记为第二差值，若所述第二差值小于所述第一差值，则将所述最优参数更新为记录的参数组合；
步骤S6，在当前的参数正交矩阵的基础上，按照设定的参数波动范围生成新的参数正交矩阵，重复执行步骤S3-步骤S5，直至重复次数达到设定的自洽循环次数，输出最优仿真参数。
进一步地，在步骤S1之前，还包括：设置最高精度参数，通过上述实施例中的任意一种质子交换膜的仿真评价方法方法，得到所述最高精度参数的仿真评价结果，将所述最高精度参数的仿真评价结果作为标准结果。
在上述质子交换膜的仿真评价方法基础上，本实施例的质子交换膜的仿真参数优化方法，通过引入参数自学习过程，实现众多参数的自动选择，能够不依赖经验而获取准确结果，进一步地提高新型复合材料燃料电池的开发效率。
基于上述仿真参数优化方法，本实施例还提供了另一种质子交换膜的仿真评价方法，包括：
步骤S10，通过模板表格输入质子交换膜配方信息，所述质子交换膜配方信息包括配方数据、结构数据和工况数据，其中，所述模板表格列出了仿真评价需要的所有质子交换膜配方信息；
步骤S20，结合所述配方数据和所述工况数据，配方数据根据所述结构数据进行模拟合成，得到第一质子交换膜体相结构；
步骤S30，结合所述配方数据和所述工况数据，对所述第一质子交换膜体相结构进行虚拟工况采样处理，得到第二质子交换膜体相结构和质子交换膜体相轨迹；
步骤S40，对所述质子交换膜体相轨迹进行力学性质计算，得到质子交换膜的力学性质；
其中，力学性质包括杨氏模量、体模量、剪切模量、泊松比、压缩率。
步骤S50，对所述质子交换膜体相轨迹进行均方位移分析，得到质子交换膜的流动性质；
其中，流动性质包括质子交换膜扩散速率和氢离子扩散速率。
步骤S60，获取所述质子交换膜体相轨迹的每一帧结构的孔隙体积数值，并从所述第二质子交换膜体相结构中读取样品总体积，所述孔隙体积数值和所述样品总体积的比值为质子交换膜的结构性质；
其中，结构性质包括自由体积分数。
步骤S70，在所述第二质子交换膜体相结构中添加气体分子并进行透气性测试，得到质子交换膜的透气性质；
其中，透气性质包括气体扩散速率，气体扩散速率具体包括O2扩散速率和/或H2扩散速率。
步骤S80，输出仿真评价结果，其中，质子交换膜的力学性质、流动性质、结构性质和透气性质即为仿真评价结果。
其中，上述步骤S10-S80中使用的仿真参数通过步骤S1-S6的仿真参数优化方法优化得到。
本实施例的质子交换膜的仿真评价方法中，对模拟合成、工况采样和虚拟测试仿真过程中的仿真参数设置不基于经验获取，而是通过仿真参数优化确保仿真可靠性和评价结果的准确性。
其中，步骤S10-S80的具体实现和优选方法可参考步骤S101-S108的优选方法实施例，在此不再赘述。
另外，结合图1描述的本发明实施例的质子交换膜的仿真评价方法可以由质子交换膜的仿真评价设备来实现。图3示出了本发明实施例提供的质子交换膜的仿真评价设备的硬件结构示意图。
质子交换膜的仿真评价设备可以包括处理器301以及存储有计算机程序指令的存储器302。
具体地，上述处理器301可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，或者可以被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
存储器302可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器302可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器302可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器302可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器302是非易失性固态存储器。在特定实施例中，存储器302包括只读存储器(ROM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM)或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。
处理器301通过读取并执行存储器302中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种质子交换膜的仿真评价方法。
在一个示例中，质子交换膜的仿真评价设备还可包括通信接口303和总线310。其中，如图3所示，处理器301、存储器302、通信接口303通过总线310连接并完成相互间的通信。
通信接口303，主要用于实现本发明实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。
总线310包括硬件、软件或两者，将质子交换膜的仿真评价设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(EISA)总线、前端总线(FSB)、超传输(HT)互连、工业标准架构(ISA)总线、无限带宽互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA)总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线310可包括一个或多个总线。尽管本发明实施例描述和示出了特定的总线，但本发明考虑任何合适的总线或互连。
另外，结合上述实施例中的质子交换膜的仿真评价方法，本发明实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种质子交换膜的仿真评价方法。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种质子交换膜的仿真评价方法，其特征在于，包括：
通过模板表格输入质子交换膜配方信息，所述质子交换膜配方信息包括配方数据、结构数据和工况数据，其中，所述模板表格列出了仿真评价需要的所有质子交换膜配方信息；
结合所述配方数据和所述工况数据，根据所述结构数据进行模拟合成，得到第一质子交换膜体相结构；
结合所述配方数据和所述工况数据，对所述第一质子交换膜体相结构进行虚拟工况采样处理，得到第二质子交换膜体相结构和质子交换膜体相轨迹；
对所述质子交换膜体相轨迹进行力学性质计算，得到质子交换膜的力学性质；
对所述质子交换膜体相轨迹进行均方位移分析，得到质子交换膜的流动性质；
获取所述质子交换膜体相轨迹的每一帧结构的孔隙体积数值，并从所述第二质子交换膜体相结构中读取样品总体积，所述孔隙体积数值和所述样品总体积的比值为质子交换膜的结构性质；
在所述第二质子交换膜体相结构中添加气体分子并进行透气性测试，得到质子交换膜的透气性质；
其中，质子交换膜的力学性质、流动性质、结构性质和透气性质即为仿真评价结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配方数据包括：配方组分种类、配方组分比例；
所述结构数据包括：配方小分子单体结构、高分子单体结构、高分子单体配比和高分子链长信息；
所述工况数据包括：质子交换膜含水量、质子交换膜使用温度、质子交换膜使用压力和质子交换膜使用酸碱环境。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结合所述配方数据和所述工况数据，配方数据根据所述结构数据进行模拟合成，得到第一质子交换膜体相结构，包括：
结合所述配方数据和所述工况数据，根据所述高分子单体结构、所述高分子单体配比和所述高分子链长信息，使用Build Polymer工具构建高分子单链模型；
优化所述高分子单链模型；
根据优化后的高分子单链模型，构建质子交换膜的虚拟样品模型，得到第一质子交换膜体相结构。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结合所述配方数据和所述工况数据，对所述第一质子交换膜体相结构进行虚拟工况采样处理，得到第二质子交换膜体相结构和质子交换膜体相轨迹，包括：
结合所述配方数据和所述工况数据，对所述第一质子交换膜体相结构进行模型预平衡、模型密度平衡、模型工况平衡、模型精密平衡和模型工况采样，得到第二质子交换膜体相结构和质子交换膜体相轨迹。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述第二质子交换膜体相结构中添加气体分子并进行透气性测试，得到质子交换膜的透气性质，包括：
在所述第二质子交换膜体相结构中添加气体分子，得到第一质子交换膜含气结构，
对所述第一质子交换膜含气结构进行结构优化得到第二质子交换膜含气结构，
对所述第二质子交换膜含气结构进行等温等压系综动力学平模拟，得到第三质子交换膜含气结构，
对所述第三质子交换膜含气结构进行正则系综动力学模拟，得到采样轨迹，
对所述采样轨迹进行均方位移分析，得到气体扩散速率，即为质子交换膜的透气性。
6.一种质子交换膜的仿真参数优化方法，其特征在于，包括：
步骤S1，获取设计质子交换膜的仿真参数；
步骤S2，对所述仿真参数进行排列组合，得到参数正交矩阵，所述参数正交矩阵为所有可行的参数组合的集合；
步骤S3，从所述参数正交矩阵中获取一组参数组合作为质子交换膜配方信息，并执行权利要求1-5中任一项所述的方法，得到该组参数组合的仿真评价结果；
步骤S4，计算所述仿真评价结果与标准结果的差值，记为第一差值，若所述第一差值小于极限值，则记录该参数组合，否则执行步骤S3；
步骤S5，计算记录的参数组合与最优参数的差值，记为第二差值，若所述第二差值小于所述第一差值，则将所述最优参数更新为记录的参数组合；
步骤S6，在当前的参数正交矩阵的基础上，按照设定的参数波动范围生成新的参数正交矩阵，重复执行步骤S3-步骤S5，直至重复次数达到设定的自洽循环次数，输出最优仿真参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括：设置最高精度参数，执行权利要求1-5中任一项所述的方法，得到所述最高精度参数的仿真评价结果，将所述最高精度参数的仿真评价结果作为标准结果。
8.一种质子交换膜的仿真评价方法，其特征在于，包括：权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，通过权利要求6或7中所述的方法优化仿真评价过程中的仿真参数。
9.一种质子交换膜的仿真评价设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如权利要求8所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求8所述的方法。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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