[发明专利]一种基于相对湿度影响的燃料电池催化层性能分析方法

说明书

本公开揭示基于相对湿度影响的燃料电池催化层性能分析方法，包括：构建多孔碳载体颗粒；根据多孔碳载体颗粒构建第一催化层团聚块碳骨架；在第一催化层团聚块碳骨架中对Pt颗粒及电解液进行重构，形成含有Pt颗粒及电解液的第二催化层团聚块碳骨架；向第二催化层团聚块碳骨架施加不同相对湿度条件，模拟碳载体颗粒微孔中发生的毛细冷凝，形成含有冷凝水的第三催化层团聚块碳骨架；根据是否构成电解液‑Pt或电解液‑水‑Pt的质子传输通路判断第三催化层团聚块碳骨架中Pt颗粒的活性，根据Pt颗粒的活性对氧气在第三催化层团聚块碳骨架中的反应输运过程进行模拟获得氧气的局部传质阻力，并根据氧气的局部传质阻力分析燃料电池催化层的性能。

技术领域

本公开属于燃料电池技术领域，具体涉及一种基于相对湿度影响的燃料电池催化层性能分析方法。

背景技术

随着传统化石能源的不断消耗，特别是全球碳中和目标的提出，新能源汽车受到广泛重视。其中，质子交换膜燃料电池因具有高能量密度、高能量转化效率、低运行温度以及零排放等优点，已成为新一代具有广阔发展前景的新能源动力设备。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。通过提高单位质量催化剂的反应活性，提高多孔膜电极中催化剂的利用率，并降低催化剂的用量，成为降低燃料电池成本的有效途径。

多孔碳载体(如KetjenBlack等)具有丰富的内部孔隙结构，呈现较高的比表面积。使用多孔碳载体分散Pt催化剂，可有效提高催化剂纳米颗粒的离散度、增大催化剂的比表面积，并提升催化剂的反应活性。由于多孔碳载体内部孔隙尺寸极小(小于10nm)，导致电解液无法进入碳载体微孔。这样的结构造成以下特殊的催化反应特性：(1)可抑制电解液的毒化并有效提高Pt的反应活性。电解液与Pt接触会引发电解液侧链与Pt表面的相互作用，抑制Pt的催化活性。大量Pt分布在孔隙内部，可有效避免电解液对Pt的毒化、提高Pt的催化活性；(2)增加了Pt活性对相对湿度的敏感性。由于电解液无法进入内部孔隙，质子的传导依赖孔隙中的液态水。高相对湿度下，孔隙中发生微纳尺度的毛细冷凝，质子传导通畅；相对湿度下，孔隙中缺少液态水，质子传导受阻，性能衰减。上述过程存在空间尺度小、结构和机理复杂等特性，采用实验手段在线表征上述过程尚存在难度。因此，亟需提出一种有效表征相对湿度对微纳尺度Pt催化剂颗粒激活/冻结过程及多孔催化层反应性能的评价模型。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于相对湿度影响的燃料电池催化层性能分析方法，通过相对湿度对燃料电池催化层中氧气传质阻力的影响对燃料电池催化层的性能进行分析。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种基于相对湿度影响的燃料电池催化层性能分析方法，包括如下步骤：

S100：构建多孔碳载体颗粒；

S200：根据多孔碳载体颗粒构建第一催化层团聚块碳骨架；

S300：在第一催化层团聚块碳骨架中对Pt纳米颗粒及电解液进行重构，形成含有Pt纳米颗粒及电解液的第二催化层团聚块碳骨架；

S400：向第二催化层团聚块碳骨架施加不同相对湿度条件，模拟碳载体颗粒微孔中发生的毛细冷凝，形成含有冷凝水的第三催化层团聚块碳骨架；

S500：根据是否构成电解液-Pt或电解液-水-Pt的质子传输通路判断第三催化层团聚块碳骨架中Pt纳米颗粒的活性，根据Pt纳米颗粒的活性对氧气在第三催化层团聚块碳骨架中的反应输运过程进行模拟获得氧气的局部传质阻力，并根据氧气的局部传质阻力分析燃料电池催化层的性能。

优选的，步骤S100包括：