CN111653321A - 燃料电池催化剂活性的计算装置、计算方法及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池催化剂活性的计算装置、计算方法及电子设备，将催化剂纳米尺度氧还原活性数据和催化层微米尺度比表面积数据，传递到膜电极组件毫米尺度功率计算模型中，整合不同尺度的数据，实现了数据的最大化利用。建立了可真实还原“浆料‑催化剂‑载体”的微米尺度球模型，得到更为可靠的比表面积计算数据，这种自底向上的建模方式对测试的依赖程度低，使预测模型具备更强的推广性。利用微观尺度下精确计算得到的催化剂数据，输入到宏观的膜电极组件计算模型中，从源头输入层面提升了计算模型的准确性，从而提升最终性能的预测精度。实现了一种基于虚拟仿真技术的完整的催化剂活性计算方案。
Description
技术领域
本发明涉及材料催化活性控制技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池催化剂活性的计算装置、计算方法及电子设备。
背景技术
催化剂是燃料电池中的重要材料。催化剂的作用是加速燃料电池中的氢气氧化反应和氧气还原反应，使得燃料电池具备更高的功率密度。因此，催化剂开发是燃料电池开发的关键议题。
催化剂开发有两种主要的手段，如下所示：
其一：基于实际制备和测试的试验手段，这是目前主要运用的手段，其优点是直接可靠，其缺点是周期长、成本高、风险大。
其二：基于虚拟仿真技术的计算手段，这是目前正在探索的创新手段，其优点是周期短、成本低、风险低，尽管最终计算结果仍需要通过实际试验来验证，但在开发过程中节省了大量的时间、人力、物力。
因此，如何开发一种基于虚拟仿真技术的完整的催化剂活性计算方案，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种燃料电池催化剂活性的计算装置、计算方法及电子设备，技术方案如下：
一种燃料电池催化剂活性的计算装置，所述计算装置包括：数据管理模块、第一性原理计算模块、微结构计算模块和多物理场计算模块；
其中，所述数据管理模块用于管理纳米尺度原子结构、微米尺度颗粒结构和毫米尺度组件参数；
所述第一性原理计算模块用于接收所述纳米尺度原子结构，计算出原子活性特征参数，并输出至所述多物理场计算模块；
所述微结构计算模块用于接收所述微米尺度颗粒结构，计算出颗粒几何特征参数，并输出至所述多物理场计算模块；
所述多物理场计算模块用于接收所述毫米尺度组件参数，依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，计算出毫米尺度组件的功率性能参数。
优选的，在上述计算装置中，所述第一性原理计算模块的运行采用纳米尺度催化剂模型；
所述纳米尺度催化剂模型包括：设置在预设空间位置上的被催化原子、主催化原子、副催化原子和结构支撑原子。
优选的，在上述计算装置中，所述第一性原理计算模块包括：原子结构建模单元、原子边界设置单元、原子本构设置单元和原子活性计算单元；
其中，所述原子结构建模单元用于依据设定的纳米尺度原子结构，将所述被催化原子、所述主催化原子、所述副催化原子和所述结构支撑原子构建到相应的空间位置；
所述原子边界设置单元用于设置所述被催化原子、所述主催化原子、所述副催化原子和所述结构支撑原子的边界条件；
所述原子本构设置单元用于设置所述被催化原子、所述主催化原子、所述副催化原子和所述结构支撑原子本身以及相互之间的本构关系；
所述原子活性计算单元用于计算所述被催化原子、所述主催化原子、所述副催化原子的催化活性，即所述原子活性特征参数。
优选的，在上述计算装置中，所述微结构计算模块的运行采用微米尺度催化层模型；
所述微米尺度催化层模型包括：设置在预设空间位置上的质子(H+)通路、浆料球颗粒、催化剂和载体球颗粒、电子(e)通路。
优选的，在上述计算装置中，所述微结构计算模块包括：颗粒结构建模单元、颗粒边界设置单元、颗粒本构设置单元和颗粒几何计算单元；
其中，所述颗粒结构建模单元用于依据设定的微米尺度颗粒结构，将所述浆料球颗粒以及所述催化剂和载体球颗粒构建到相应的空间位置；
所述颗粒边界设置单元用于设置所述浆料球颗粒以及所述催化剂和载体球颗粒的边界条件；
所述颗粒本构设置单元用于设置质子(H+)通路、未填充区域气体通路、电子(e)通路、所述浆料球颗粒以及所述催化剂和载体球颗粒自身以及相互之间的本构关系；
所述颗粒几何计算单元用于计算所述质子(H+)通路、所述未填充区域气体通路和所述电子(e)通路的交汇点数量，即所述颗粒几何特征参数。
优选的，在上述计算装置中，所述多物理场计算模块的运行采用毫米尺度膜电极组件模型；
所述毫米尺度膜电极组件模型包括：设置在预设空间位置上的阳极扩散层、阳极催化剂、质子交换膜、阴极催化剂和阴极扩散层。
优选的，在上述计算装置中，所述多物理场计算模块包括：组件结构建模单元、组件边界设置单元、组件本构设置单元和组件功率计算单元；
其中，所述组件结构建模单元用于依据设定的毫米尺度组件参数，将所述阳极扩散层、所述阳极催化剂、所述质子交换膜、所述阴极催化剂和所述阴极扩散层构建到相应的空间位置；
所述组件边界设置单元用于设置所述阳极扩散层、所述阳极催化剂、所述质子交换膜、所述阴极催化剂和所述阴极扩散层的边界条件；
所述组件本构设置单元用于设置所述阳极扩散层、所述阳极催化剂、所述质子交换膜、所述阴极催化剂和所述阴极扩散层自身以及相互之间的本构关系；
所述组件功率计算单元用于依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，计算出毫米尺度膜电极组件的功率性能参数。
一种燃料电池催化剂活性的计算方法，所述计算方法包括：
获取纳米尺度原子结构、微米尺度颗粒结构和毫米尺度组件参数；
依据所述纳米尺度原子结构，采用第一性原理计算，得到原子活性特征参数；
依据所述微米尺度颗粒结构，采用微结构计算，得到颗粒几何特征参数；
依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，采用多物理场计算，得到毫米尺度组件功率的性能参数。
一种电子设备，所述电子设备包括上述任一项所述的计算装置。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种燃料电池催化剂活性的计算装置，所述计算装置包括：数据管理模块、第一性原理计算模块、微结构计算模块和多物理场计算模块；其中，所述数据管理模块用于管理纳米尺度原子结构、微米尺度颗粒结构和毫米尺度组件参数；所述第一性原理计算模块用于接收所述纳米尺度原子结构，计算出原子活性特征参数，并输出至所述多物理场计算模块；所述微结构计算模块用于接收所述微米尺度颗粒结构，计算出颗粒几何特征参数，并输出至所述多物理场计算模块；所述多物理场计算模块用于接收所述毫米尺度组件参数，依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，计算出毫米尺度组件的功率性能参数。
该计算装置实现了一种数据跨尺度传输、真实催化层建模和膜电极组件参数的准确输入，是一种基于虚拟仿真技术的完整的催化剂活性计算装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种燃料电池催化剂活性的计算装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种纳米尺度催化剂模型的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第一性原理计算模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种微米尺度催化层模型的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种微结构计算模块的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种毫米尺度膜电极组件模型的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种多物理场计算模块的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种燃料电池催化剂活性的计算方法的流程示意图；
图9为本发明实施例提供的一种燃料电池催化剂活性的计算方法的参数原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种燃料电池催化剂活性的计算装置的结构示意图。
所述计算装置包括：数据管理模块11、第一性原理计算模块12、微结构计算模块13和多物理场计算模块14；
其中，所述数据管理模块11用于管理纳米尺度原子结构、微米尺度颗粒结构和毫米尺度组件参数；
所述第一性原理计算模块12用于接收所述纳米尺度原子结构，计算出原子活性特征参数，并输出至所述多物理场计算模块14；
所述微结构计算模块13用于接收所述微米尺度颗粒结构，计算出颗粒几何特征参数，并输出至所述多物理场计算模块14；
所述多物理场计算模块14用于接收所述毫米尺度组件参数，依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，计算出毫米尺度组件的功率性能参数。
在该实施例中，实现了一种数据跨尺度传输，最终可计算出毫米尺度组件的功率性能参数。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种纳米尺度催化剂模型的结构示意图。
所述第一性原理计算模块12的运行采用纳米尺度催化剂模型；
所述纳米尺度催化剂模型包括：设置在预设空间位置上的被催化原子21、主催化原子22、副催化原子23和结构支撑原子24。
在该实施例中，被催化原子21移动到主催化原子22附件，由于受到主催化原子22和副催化原子23的共同影响，被催化原子21发生化学反应，产生能量，驱动燃料电池。
结构支撑原子24用于确保主催化原子22和副催化原子23不会发生位置移动。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种第一性原理计算模块的结构示意图。
所述第一性原理计算模块12包括：原子结构建模单元31、原子边界设置单元32、原子本构设置单元33和原子活性计算单元34；
其中，所述原子结构建模单元31用于依据设定的纳米尺度原子结构，将所述被催化原子21、所述主催化原子22、所述副催化原子23和所述结构支撑原子24构建到相应的空间位置；
所述原子边界设置单元32用于设置所述被催化原子21、所述主催化原子22、所述副催化原子23和所述结构支撑原子24的边界条件；
所述原子本构设置单元33用于设置所述被催化原子21、所述主催化原子22、所述副催化原子23和所述结构支撑原子24本身以及相互之间的本构关系，即相互作用力；
所述原子活性计算单元34用于计算所述被催化原子21、所述主催化原子22、所述副催化原子23的催化活性，即所述原子活性特征参数。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种微米尺度催化层模型的结构示意图。
所述微结构计算模块13的运行采用微米尺度催化层模型；
所述微米尺度催化层模型包括：设置在预设空间位置上的质子(H+)通路41、浆料球颗粒42、催化剂和载体球颗粒43、电子(e)通路44。
在该实施例中，在阴极催化层中，质子(H+)通路41从质子交换膜出发，经过浆料球颗粒42与电子(e)通路44会和。
电子(e)通路44从阴极扩散层出发，经过催化剂和载体球颗粒43与质子(H+)通路41会和。
其中，未填充区域为气体通路45。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种微结构计算模块的结构示意图。
所述微结构计算模块13包括：颗粒结构建模单元51、颗粒边界设置单元52、颗粒本构设置单元53和颗粒几何计算单元54；
其中，所述颗粒结构建模单元51用于依据设定的微米尺度颗粒结构，将所述浆料球颗粒42以及所述催化剂和载体球颗粒43构建到相应的空间位置；
所述颗粒边界设置单元52用于设置所述浆料球颗粒42以及所述催化剂和载体球颗粒43的边界条件；
所述颗粒本构设置单元53用于设置质子(H+)通路41、未填充区域气体通路45、电子(e)通路44、所述浆料球颗粒42以及所述催化剂和载体球颗粒43自身以及相互之间的本构关系，即相互作用力；
所述颗粒几何计算单元54用于计算所述质子(H+)通路41、所述未填充区域气体通路45和所述电子(e)通路44的交汇点数量，即所述颗粒几何特征参数。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图6，图6为本发明实施例提供的一种毫米尺度膜电极组件模型的结构示意图。
所述多物理场计算模块14的运行采用毫米尺度膜电极组件模型61；
所述毫米尺度膜电极组件模型61包括：设置在预设空间位置上的阳极扩散层62、阳极催化剂63、质子交换膜64、阴极催化剂65和阴极扩散层66。
在该实施例中，在毫米尺度膜电极组件模型61中，由阳极扩散层62和阳极催化剂63负责管理和催化燃料电池的阳极反应，由阴极扩散层66和阴极催化剂65负责管理和催化燃料电池的阴极反应，由质子交换膜64负责管理阳极催化剂63和阴极催化剂65之间的物质传输。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图7，图7为本发明实施例提供的一种多物理场计算模块的结构示意图。
所述多物理场计算模块14包括：组件结构建模单元71、组件边界设置单元72、组件本构设置单元73和组件功率计算单元74；
其中，所述组件结构建模单元71用于依据设定的毫米尺度组件参数，将所述阳极扩散层62、所述阳极催化剂63、所述质子交换膜64、所述阴极催化剂65和所述阴极扩散层66构建到相应的空间位置；
所述组件边界设置单元72用于设置所述阳极扩散层62、所述阳极催化剂63、所述质子交换膜64、所述阴极催化剂65和所述阴极扩散层66的边界条件；
所述组件本构设置单元73用于设置所述阳极扩散层62、所述阳极催化剂63、所述质子交换膜64、所述阴极催化剂65和所述阴极扩散层66自身以及相互之间的本构关系，即相互作用力；
所述组件功率计算单元74用于依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，计算出毫米尺度膜电极组件的功率性能参数。
通过上述描述可知，该计算装置实现了一种数据跨尺度传输、真实催化层建模和膜电极组件参数的准确输入，是一种基于虚拟仿真技术的完整的催化剂活性计算装置。
具体的，在数据跨尺度传输方面，本申请将催化剂纳米尺度氧还原活性数据和催化层微米尺度比表面积数据，传递到膜电极组件毫米尺度功率计算模型中，整合不同尺度的数据，实现了数据的最大化利用。
具体的，在真实催化层建模方面，本申请建立了可真实还原“浆料-催化剂-载体”的微米尺度球模型，由此得到了更为可靠的比表面积计算数据，这种自底向上的建模方式对测试的依赖程度低，使的预测模型具备更强的推广性。
具体的，在膜电极组件参数准确输入方面，本申请利用微观尺度下精确计算得到的催化剂数据，输入到宏观的膜电极组件计算模型中，从源头输入层面提升了计算模型的准确性，从而提升最终性能的预测精度。
基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种燃料电池催化剂活性的计算方法，参考图8，图8为本发明实施例提供的一种燃料电池催化剂活性的计算方法的流程示意图，参考图9，图9为本发明实施例提供的一种燃料电池催化剂活性的计算方法的参数原理示意图。
所述计算方法包括：
S101：获取纳米尺度原子结构、微米尺度颗粒结构和毫米尺度组件参数；
S102：依据所述纳米尺度原子结构，采用第一性原理计算，得到原子活性特征参数；
S103：依据所述微米尺度颗粒结构，采用微结构计算，得到颗粒几何特征参数；
S104：依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，采用多物理场计算，得到毫米尺度组件功率的性能参数。
需要说明的是，本申请实施例提供的计算方法和计算装置的原理相同，在此不再赘述。
基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述实施例所述的计算装置。
以上对本发明所提供的一种燃料电池催化剂活性的计算装置、计算方法及电子设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，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、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、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“包括一个……”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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种燃料电池催化剂活性的计算装置，其特征在于，所述计算装置包括：数据管理模块、第一性原理计算模块、微结构计算模块和多物理场计算模块；
其中，所述数据管理模块用于管理纳米尺度原子结构、微米尺度颗粒结构和毫米尺度组件参数；
所述第一性原理计算模块用于接收所述纳米尺度原子结构，计算出原子活性特征参数，并输出至所述多物理场计算模块；
所述微结构计算模块用于接收所述微米尺度颗粒结构，计算出颗粒几何特征参数，并输出至所述多物理场计算模块；
所述多物理场计算模块用于接收所述毫米尺度组件参数，依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，计算出毫米尺度组件的功率性能参数。
2.根据权利要求1所述的计算装置，其特征在于，所述第一性原理计算模块的运行采用纳米尺度催化剂模型；
所述纳米尺度催化剂模型包括：设置在预设空间位置上的被催化原子、主催化原子、副催化原子和结构支撑原子。
3.根据权利要求2所述的计算装置，其特征在于，所述第一性原理计算模块包括：原子结构建模单元、原子边界设置单元、原子本构设置单元和原子活性计算单元；
其中，所述原子结构建模单元用于依据设定的纳米尺度原子结构，将所述被催化原子、所述主催化原子、所述副催化原子和所述结构支撑原子构建到相应的空间位置；
所述原子边界设置单元用于设置所述被催化原子、所述主催化原子、所述副催化原子和所述结构支撑原子的边界条件；
所述原子本构设置单元用于设置所述被催化原子、所述主催化原子、所述副催化原子和所述结构支撑原子本身以及相互之间的本构关系；
所述原子活性计算单元用于计算所述被催化原子、所述主催化原子、所述副催化原子的催化活性，即所述原子活性特征参数。
4.根据权利要求1所述的计算装置，其特征在于，所述微结构计算模块的运行采用微米尺度催化层模型；
所述微米尺度催化层模型包括：设置在预设空间位置上的质子(H+)通路、浆料球颗粒、催化剂和载体球颗粒、电子(e)通路。
5.根据权利要求4所述的计算装置，其特征在于，所述微结构计算模块包括：颗粒结构建模单元、颗粒边界设置单元、颗粒本构设置单元和颗粒几何计算单元；
其中，所述颗粒结构建模单元用于依据设定的微米尺度颗粒结构，将所述浆料球颗粒以及所述催化剂和载体球颗粒构建到相应的空间位置；
所述颗粒边界设置单元用于设置所述浆料球颗粒以及所述催化剂和载体球颗粒的边界条件；
所述颗粒本构设置单元用于设置质子(H+)通路、未填充区域气体通路、电子(e)通路、所述浆料球颗粒以及所述催化剂和载体球颗粒自身以及相互之间的本构关系；
所述颗粒几何计算单元用于计算所述质子(H+)通路、所述未填充区域气体通路和所述电子(e)通路的交汇点数量，即所述颗粒几何特征参数。
6.根据权利要求1所述的计算装置，其特征在于，所述多物理场计算模块的运行采用毫米尺度膜电极组件模型；
所述毫米尺度膜电极组件模型包括：设置在预设空间位置上的阳极扩散层、阳极催化剂、质子交换膜、阴极催化剂和阴极扩散层。
7.根据权利要求6所述的计算装置，其特征在于，所述多物理场计算模块包括：组件结构建模单元、组件边界设置单元、组件本构设置单元和组件功率计算单元；
其中，所述组件结构建模单元用于依据设定的毫米尺度组件参数，将所述阳极扩散层、所述阳极催化剂、所述质子交换膜、所述阴极催化剂和所述阴极扩散层构建到相应的空间位置；
所述组件边界设置单元用于设置所述阳极扩散层、所述阳极催化剂、所述质子交换膜、所述阴极催化剂和所述阴极扩散层的边界条件；
所述组件本构设置单元用于设置所述阳极扩散层、所述阳极催化剂、所述质子交换膜、所述阴极催化剂和所述阴极扩散层自身以及相互之间的本构关系；
所述组件功率计算单元用于依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，计算出毫米尺度膜电极组件的功率性能参数。
8.一种燃料电池催化剂活性的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括：
获取纳米尺度原子结构、微米尺度颗粒结构和毫米尺度组件参数；
依据所述纳米尺度原子结构，采用第一性原理计算，得到原子活性特征参数；
依据所述微米尺度颗粒结构，采用微结构计算，得到颗粒几何特征参数；
依据所述毫米尺度组件参数、所述原子活性特征参数和所述颗粒几何特征参数，采用多物理场计算，得到毫米尺度组件功率的性能参数。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求1-7任一项所述的计算装置。
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