固體氧化物燃料電池靜電紡絲電極納米顆粒逾滲幾率計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種固體氧化物燃料電池靜電紡絲電極納米 顆粒逾滲幾率計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 火力發(fā)電方式是先將物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后把 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多，損耗較大，且其總體效率受到卡諾循環(huán)的制約，因 此其能量利用率不高；且火力發(fā)電方式污染物排放嚴(yán)重，直接威脅到人類的可持續(xù)發(fā)展乃 至生存環(huán)境。因此人類迫切需要一種直接、高效而又清潔的發(fā)電方式。
[0003] 燃料電池作為一種基于電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)電方式，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，能量 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，且不受卡諾循環(huán)的限制，是一種極其高效的發(fā)電途徑；且其排放物中不含火力 發(fā)電方法的粉塵、污染物，又是一種非常清潔的發(fā)電方式。正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，燃 料電池成為了能源領(lǐng)域的新星。作為第三代燃料電池的固體氧化物燃料電池，由于其自身 的諸多優(yōu)勢：高效、全固態(tài)組件、燃料靈活、模塊化結(jié)構(gòu)等，被認(rèn)為是最具有市場前景的一種 燃料電池。
[0004] 固體氧化物燃料電池由陽極、電解質(zhì)和陰極三部分組成，陽極和陰極都同時(shí)肩負(fù) 導(dǎo)電子和導(dǎo)離子的任務(wù)，因此為雙相復(fù)合材料，包含導(dǎo)電子材料和導(dǎo)離子材料。目前的一 大研究熱點(diǎn)就是如何通過不同的材料制作方法獲得不同的電極微觀形態(tài)，以期提高電池性 能。靜電紡絲電極即為目前最新的一種電極類型，它采用靜電紡絲技術(shù)，將電極中的某一相 α制作成紡絲，將另一相β通過浸漬的方式附著于α相的紡絲上。
[0005] 由靜電紡絲電極的制作過程和電極微觀結(jié)構(gòu)可知，附著于紡絲表面的β相由于 浸漬量的不同，可能存在不滿足逾滲要求的情況，即在浸漬量較低時(shí)，顆粒由于隨機(jī)分布于 紡絲表面，無法形成連貫的逾滲簇，也就沒有通路供電子或離子迀移。因此靜電紡絲電極納 米顆粒逾滲幾率在不同浸漬量下必須得到準(zhǔn)確估計(jì)，以評估是否滿足逾滲要求。
[0006] 目前對靜電紡絲電極納米顆粒逾滲幾率的研究方法相對有限，主要通過實(shí)驗(yàn)方 法，但深入電極微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)需要依賴大量高精尖設(shè)備，成本高昂，且實(shí)驗(yàn)始終只能針對 極少數(shù)的樣品進(jìn)行研究，要進(jìn)行系統(tǒng)的研究，比如不同浸漬量下的逾滲率，則是一個(gè)耗時(shí)耗 力耗財(cái)?shù)倪^程。且實(shí)驗(yàn)中還存在一些難以控制的因素，比如由于單次浸漬量有限，要滿足逾 滲要求，必須多次反復(fù)浸漬，這就難以準(zhǔn)確控制浸漬效果，更無法準(zhǔn)確獲得逾滲閾值。
[0007] 總之，目前的實(shí)驗(yàn)法缺乏理論指導(dǎo)，亟需一個(gè)理論模型準(zhǔn)確地計(jì)算靜電紡絲電極 在不同浸漬量下的納米顆粒逾滲幾率，并得出逾滲閾值，為實(shí)驗(yàn)制作提供關(guān)鍵指導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種固體氧化物 燃料電池靜電紡絲電極納米顆粒逾滲幾率計(jì)算方法。
[0009] 技術(shù)方案：本發(fā)明的一種固體氧化物燃料電池靜電紡絲電極納米顆粒逾滲幾率計(jì) 算方法，包括以下步驟：
[0010] (1)構(gòu)建靜電紡絲電極幾何等效模型：
[0011] 基于靜電紡絲電極微觀形態(tài)，靜電紡絲電極浸漬后包括形態(tài)區(qū)分明顯的兩部分， 即呈圓柱狀的紡絲和呈球體狀的浸漬納米顆粒，浸漬納米顆粒附著在紡絲表面；采用圓柱 等效紡絲、小球等效浸漬納米顆粒以及使小球密實(shí)附著于圓柱表面的方法建立靜電紡絲電 極幾何等效模型；其中，小球一個(gè)緊挨一個(gè)附著于圓柱表面且每個(gè)小球之間不留縫隙；
[0012] (2)構(gòu)建不同浸漬量下的幾何結(jié)構(gòu)：
[0013] 根據(jù)實(shí)際浸漬量的不同，在所述步驟（1)構(gòu)建的模型中隨機(jī)選定一部分浸漬納米 顆粒予以保留，其余的浸漬納米顆粒予以剔除，從而構(gòu)建出不同浸漬量下的幾何結(jié)構(gòu)；
[0014] (3)統(tǒng)計(jì)計(jì)算逾滲幾率：
[0015] 基于回歸循環(huán)算法，判斷每個(gè)顆粒是否屬于逾滲簇，對于不屬于任何逾滲簇的顆 粒須予以排除，最終統(tǒng)計(jì)出所有逾滲顆粒數(shù)，計(jì)算出其占所述步驟（2)中保留的納米顆粒 數(shù)的百分比即為逾滲幾率；其中，浸漬顆粒只有屬于任意逾滲簇方為逾滲顆粒，逾滲簇為連 通紡絲底端和頂端的任意一簇顆粒；
[0016] (4)計(jì)算逾滲閾值：
[0017] 通過一系列計(jì)算得出不同浸漬量下的逾滲幾率，找出靜電紡絲電極浸漬納米顆粒 的逾滲閾值。
[0018] 進(jìn)一步的，所述步驟（1)的靜電紡絲電極幾何等效模型中，紡絲表面附著的浸漬 納米顆粒數(shù)量隨著浸漬量的不同而不同，且?guī)缀蔚刃Ｐ偷某叨却笮「鶕?jù)實(shí)際情況定制。
[0019] 進(jìn)一步的，所述步驟（2)中，通過隨機(jī)剔除部分浸漬納米顆粒，建立不同浸漬量下 的幾何結(jié)構(gòu)，其具體過程為：
[0020] 設(shè)步驟⑴中建立的密實(shí)覆蓋的幾何模型中共有N個(gè)小球附著于圓柱表面，即有N 個(gè)浸漬納米顆粒附著于紡絲表面，基于浸漬顆粒在紡絲表面分布的隨機(jī)性，根據(jù)浸漬量ε 的不同，隨機(jī)地選擇并保留ε*Ν個(gè)小球，其余的（1_ε)*Ν個(gè)小球予以剔除，保留的小球數(shù) 即為該浸漬量對應(yīng)下的納米顆粒數(shù)，從而建立任意浸漬量ε下的幾何結(jié)構(gòu)。
[0021] 進(jìn)一步的，在所述步驟（3)中，
[0022] 從圓柱紡絲表面最底部的一個(gè)顆粒出發(fā)，通過距離判斷，找出從這個(gè)底部顆粒出 發(fā)的顆粒簇，再判斷該顆粒簇是否逾滲，并將所有逾滲簇匯入一個(gè)數(shù)組中，數(shù)組中每行記錄 一個(gè)顆粒的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，最終所得數(shù)組的行數(shù)即為逾滲顆粒數(shù)η，而逾滲幾率則為
其具 體過程如下：
[0023] (31)將所述步驟⑵中保留的ε *Ν個(gè)顆粒的坐標(biāo)信息放入數(shù)組A中，并查找出這 些顆粒中位于最底層的顆粒，將該最底層顆粒的坐標(biāo)存入數(shù)組B中，然后再創(chuàng)建一個(gè)緩存 數(shù)組C用來存儲由一個(gè)底部顆粒導(dǎo)引出來的顆粒簇；
[0024] (32)由于從每個(gè)底部顆粒出發(fā)的顆粒簇不一定都逾滲，所以每次獲得一支顆粒簇 后需判斷其是否逾滲，不逾滲的存入數(shù)組D，逾滲的存入數(shù)組E ;
[0025] (33)數(shù)組建立后，利用三個(gè)循環(huán)進(jìn)行查找，由外到內(nèi)依次為數(shù)組B中顆粒的循環(huán)、 數(shù)組A中顆粒的循環(huán)和數(shù)組C中顆粒的循環(huán)，即：先取數(shù)組B中一個(gè)顆粒，判斷其是否已在 數(shù)組E或數(shù)組D中，如果是，則表明該顆粒已被檢索存儲，直接取下一個(gè)底部顆粒；如果否， 則表明從此顆粒出發(fā)的顆粒簇還沒有被判斷和提取，則將其存入清零的數(shù)組C中，作為一 支新的顆粒簇的開始；
[0026] (34)從該顆粒出發(fā)，進(jìn)入第二層循環(huán)，依次取數(shù)組A中顆粒，先判斷其是否已數(shù)組 在C中，若是，則直接取數(shù)組A中下一個(gè)顆粒；若否，則將該顆粒依次和數(shù)組C中顆粒判斷距 離，只要找到其與數(shù)組C中顆粒相連，則將其存入數(shù)組C中，由此可知數(shù)組C在不斷增長，然 后程序需從第二層循環(huán)從頭開始，將數(shù)組A和更新以后的數(shù)組C再次相互進(jìn)行查找，直到數(shù) 組A能夠完成整個(gè)循環(huán)，表明所有（A-C)中的顆粒都不與C中任何顆粒相接觸，即一支顆粒 簇已經(jīng)被找到；這時(shí)只需判斷是否逾滲后選擇存入D或E中；
[0027] (35)最后轉(zhuǎn)到最外層循環(huán)取下一個(gè)底部顆粒，直到完成所有底部顆粒的查找，最 終輸出數(shù)組E即為所有逾滲顆粒的坐標(biāo)信息，其行數(shù)即為逾滲顆粒數(shù)n，并計(jì)算出逾滲幾率
[0028] 有益效果：本發(fā)明中的計(jì)算簡單、計(jì)算量小、誤差小、所得結(jié)果精準(zhǔn)。
【附圖說明】
[0029] 圖1為實(shí)施例中浸漬顆粒（小球）密實(shí)覆蓋紡絲（圓柱）表面的幾何模型示意 圖；
[0030] 圖2為實(shí)施例中構(gòu)建的浸漬量為ε = 52. 5%的模型示意圖；
[0031] 圖3為實(shí)施例中構(gòu)建的浸漬模型中三種不同的浸漬顆粒狀態(tài)示意圖；其中，圖 3(a)為一簇逾滲顆粒（逾滲簇）示意圖，圖3(b)為未能連通紡絲兩端的顆粒簇（橢圓框 內(nèi)）示意圖，圖3(c)為孤立的顆粒（橢圓框內(nèi)）示意圖；
[0032] 圖