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龙图腾网获悉西安交通大学申请的专利基于催化层碳腐蚀的电池性能预测方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN115394368B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-09-02发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202211002851.0，技术领域涉及：G16C20/10；该发明授权基于催化层碳腐蚀的电池性能预测方法是由陈黎;董恩赐;夏强峰;蒋理想;张瑞元;陶文铨设计研发完成，并于2022-08-19向国家知识产权局提交的专利申请。

本基于催化层碳腐蚀的电池性能预测方法在说明书摘要公布了：本发明公开了一种基于催化层碳腐蚀的电池性能预测方法，基于催化层碳腐蚀的电池性能预测方法中，采用双位点碳腐蚀动力学反应方程组，基于牛顿法对不同工况电压循环条件下碳基质量损失进行计算，并在每个时间步内根据碳质量守恒转化为团聚体模型中碳颗粒直径的演变，进而推演出催化层微观结构的变化，更新催化层厚度、离聚物体积分数、催化剂体积分数和孔隙率等，Pt颗粒的平均半径采用Pt老化半径模型进行预测，根据老化后的催化层结构参数，更新电池模型中的气体扩散系数、质子电导率和局部传质阻力等参数，通过对电池模型进行迭代求解，实现对催化层碳腐蚀后电池性能的预测。

本发明授权基于催化层碳腐蚀的电池性能预测方法在权利要求书中公布了：1.一种基于催化层碳腐蚀的电池性能预测方法，其特征在于，其包括以下步骤， 步骤1：建立一维电池模型，电池模型的计算区域沿厚度方向依次由阳极极板、阳极气体扩散层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层和阴极极板构成，其中，一维电池模型的模型参数包括各物质组分的扩散系数、质子和电子的电导率、气体局部传质阻力以及多孔介质的孔隙率、润湿角、平均孔隙直径物性参数；建立催化层的一维碳腐蚀模型，对电池的催化层进行老化模拟，将催化层沿厚度方向划分为N个控制体，根据所模拟质子交换膜燃料电池催化层的碳载量、铂载量、离聚物与碳的质量比和孔隙率参数设置催化层的初始结构参数，即每个控制体的初始孔隙率、离聚物体积分数、碳颗粒半径、数量和铂颗粒半径，并在后续碳腐蚀过程中对其进行更新； 步骤2：建立并运行双位点碳腐蚀模型，输入测试电压循环曲线以模拟电池启停循环条件下的催化层老化过程，其中，双位点碳腐蚀模型包括, （1） （2） 其中为弗朗金系数，为某种反应产物在碳表面总反应位点中的占比，其下标和代表反应产物种类，符号和分别代表碳表面两种反应位点的类型，为法拉第常数，为通用气体常数，为反应过程中催化层温度，为催化层过电势，其他参数为电化学反应动力学的拟合参数，此参数说明对于后续公式同样适用， （3） （4） 其中为水蒸气分压，为水蒸气分压的参考值， （5） （6） 其中为催化层离聚物中的质子浓度，为离聚物中质子浓度的参考值， （7） （8） （9） （10） （11） （12） （13） （14） 公式1-14为双位点碳腐蚀模型中的电化学反应过程及对应的动力学方程表达式，其中公式3、4为碳氧化生成二氧化碳的电化学反应方程式和动力学方程， （15） （16） （17） （18） （19） （20） 公式15-20为双位点碳腐蚀模型的控制方程，其中和分别为和位点在单位碳表面积的摩尔数，在启停循环电压条件下对其进行求解以模拟催化层在电池启停状态下的碳腐蚀过程，采用牛顿法迭代计算得到每个控制体的碳腐蚀反应速率、氧化物和中间产物的生成和消耗速率以及覆盖率， （21） （22） 公式21-22为催化层的碳质量守恒和水蒸气守恒控制方程，模拟催化层内部整体的碳腐蚀和水蒸气的消耗和运输过程，将碳腐蚀模型计算得到碳腐蚀速率代入并对其进行求解即可得到当前时间步每个控制体的碳剩余量和水蒸气在催化层的浓度分布，其中为每个控制体单位横截面积的碳剩余摩尔量，为孔隙率，为碳颗粒的比表面积，为碳的摩尔质量，为碳氧化生成二氧化碳的反应速率，为水蒸气在催化层中的扩散系数，为水蒸气浓度，为碳腐蚀导致的水蒸气消耗源项,下标i代表控制体的编号; 步骤3：基于演化控制方程模拟催化层结构压缩过程，更新催化层结构参数，根据催化层Pt老化半径预测方程预测Pt颗粒平均半径，其中， （23） （24） （25） （26） （27） （28） （29） 公式23-29为催化层结构参数的演化控制方程，模拟碳腐蚀后在预紧力作用下催化层的结构压缩过程，将上述计算得到的代入方程组并进行求解得到当前时间步碳腐蚀后催化层每个控制体的剩余厚度、孔隙率、离聚物体积分数、碳颗粒直径，其中为碳颗粒直径，、、、分别为离聚物、碳基和金属铂的体积分数以及孔隙率，为控制体大小，为离聚物与碳基的质量比，为控制体内碳颗粒的数量，为催化层的横截面积，为碳的摩尔体积，为金属铂的密度，为碳的密度，为离聚物的密度，为催化层的初始厚度，为催化层的铂载量； （30） （31） 公式30-31为催化层Pt老化半径预测方程，模拟启停循环条件下碳基中Pt颗粒的溶解和再沉淀过程，对其迭代计算求解可得到启停循环测试中任意时间下的Pt颗粒平均半径，其中为铂颗粒的初始半径，为铂的表面能量密度，为Pt2+在离聚物中的平衡浓度，为Pt2+在离聚物中的扩散系数，为平均电压，为铂溶解反应的可逆电势，为铂的摩尔体积； 步骤4：根据更新的催化层结构参数更新电池模型参数，其中， （32） （33） （34） （35） （36） （37） （38） （39） （40） 公式32-40为局部传质阻力，离聚物中等效扩散阻力、Pt的等效界面输运阻力、离聚物界面阻力系数k1、Pt表面界面阻力系数k2、离聚物的等效界面输运阻力、有效扩散系数、Pt的电化学比表面积、离聚物膜的厚度、铂与碳的质量比、Pt活性体积表面积和碳活性体积表面积与催化层结构参数的关系式，将上述计算得到的碳颗粒半径、离聚物体积分数、IC、孔隙率等参数代入，对结构参数进行更新计算，实现将催化层碳腐蚀后的局部结构变化反映在电池整体性能计算中； 步骤5：基于更新的电池模型参数预测电池性能，其中， （41） （42） （43） （44） （45） （46） 公式41-46为一维电池模型的控制方程，其中为气体组分浓度，为气体组分的有效扩散系数，为液态水饱和度，为液态水的有效扩散系数，为液态水的密度，为膜态水含量，为膜态水的有效扩散系数，为膜密度，为膜的当量重量，为电子电势，为电子的有效电导率，为质子电势，为质子的有效电导率，为温度，为有效导热系数，对一维电池模型输入阴、阳极进口压力、氢气和氧气浓度、温度、相对湿度和电池输出电压边界条件参数； 对公式41-46进行耦合迭代求解，得到电池内部各物质组分浓度、质子过电势、电子过电势和温度在电池内部的分布以及该输出电压状态下电池对应的输出电流密度； 代入所述更新的电池模型参数，通过计算0.1-1.0V输出电压下的输出电流密度得到电池的极化曲线，完成启停循环老化后电池性能的预测。

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