[发明专利]阴极Pt-M催化剂的循环稳定性预测模型及其建模方法

权利要求书

1.一种阴极Pt-M合金催化剂的循环稳定性预测模型，所述模型包括壳表面Pt的氧化模型、Pt和过渡金属M的溶解模型以及物料演化模型；

所述循环稳定性预测模型是通过包括如下步骤的建模方法构建而得：

S1、壳表面Pt的氧化模型的构建

在模型中，催化层厚度方向上被离散为K个控制区，催化剂粒径被离散为J个粒径组；在第z个控制体中颗粒粒径为D的催化剂表面Pt的氧化反应速率为：

其中，v^*₁和v^*₂分别表示正向和逆向Pt氧化物形成的反应速率常数，Γ表示Pt表面活性位点密度，表示零覆盖率下Pt表面的氧化反应活化焓，λ表示与PtO相关的动力学能垒常数，θ_i,j表示Pt表面的氧化物覆盖率，n₂表示在PtO形成过程中的电子转移数，β₂表示B-V方程的传递系数，pH表示催化层内pH值，T表示电池操作温度，U₂表示催化剂表面Pt的平衡氧化电势，ω表示PtO与PtO之间的交互能量，V表示工作电势，R表示气体常数，F表示法拉第常数；

S2、Pt和过渡金属M的溶解模型的构建

S2.1 Pt的溶解模型：

假设在溶解过程中颗粒表面至少可以保持一层Pt原子层，在第z个控制体中颗粒粒径为D的合金催化剂上Pt的净溶解速率为：

其中，v₁和v₂分别表示正向和逆向Pt溶解的反应速率常数，Γ表示Pt表面活性位点密度，θ_i,j表示Pt表面的氧化物覆盖率，表示Pt的溶解反应活化焓，T表示系统温度，n₁表示在Pt溶解过程的电子转移数，β₁表示Pt溶解过程B-V方程的传递系数，表示参考Pt离子浓度，表示体系中实际的Pt离子浓度，U₁表示催化剂表面Pt的平衡溶解电势，V表示工作电势，R表示气体常数，F表示法拉第常数；

S2.1 M的溶解模型：

假设对于Pt壳厚度大于1ML，其溶解速率为零；而当Pt壳厚度小于等于1ML，M原子会快速溶解，从而使Pt壳厚度保持在1ML；M原子的溶解速率方程如下：

其中，Ω_M和Ω_Pt分别表示过渡金属M和Pt的摩尔体积常数，n表示核内的Pt/M原子比，v_M和v_Pt分别表示过渡金属M和Pt的溶解速率，L_Pt表示Pt壳厚度；

S3、物料演化模型的构建：

S3.1 PtO的物料平衡:

初始的氧化物覆盖率假设为零，PtO覆盖率θ_i,j方程如下：

其中，v_oxide通过式(1)计算得到，t表示衰减时间，D_i,j表示颗粒粒径；

S3.2 Pt²⁺的物料平衡方程：

其中，表示Pt²⁺在催化层厚度方向上的浓度梯度；表示催化层内Pt²⁺的迁移速率，为4.0×10^-6cm²/s；t表示衰减时间；ε表示催化层内离子聚合物的体积分数；表示催化层内Pt的溶解源项，在每个控制体i内S_i的计算过程为其中D_i,j表示颗粒粒径，Num_i,j表示控制体内对应粒径的颗粒数，L表示阴极催化侧厚度，A表示催化层截面积，N表示催化层在厚度方向上被分为N个控制体，M表示每个控制体内催化剂按粒径被离散成M个粒径组，v_Pt通过公式(2)可以计算得到；

并且，公式(5)设定如下：初始的Pt²⁺浓度假设为零，在CL/MEM界面上，假设Pt²⁺不会通过扩散层GDL扩散到阴极流道中：在CL/GDL界面上，由于Pt带的存在，所以假设Pt²⁺浓度为零：