固体氧化物燃料电池静电纺丝电极纳米颗粒逾渗几率计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池静电纺丝电极纳米 颗粒逾渗几率计算方法。
【背景技术】
[0002] 火力发电方式是先将物质的化学能转化为热能，再把热能转化为机械能，最后把 机械能转化为电能，能量转换环节较多，损耗较大，且其总体效率受到卡诺循环的制约，因 此其能量利用率不高；且火力发电方式污染物排放严重，直接威胁到人类的可持续发展乃 至生存环境。因此人类迫切需要一种直接、高效而又清洁的发电方式。
[0003] 燃料电池作为一种基于电化学反应的发电方式，将化学能直接转换为电能，能量 转换环节少，且不受卡诺循环的限制，是一种极其高效的发电途径；且其排放物中不含火力 发电方法的粉尘、污染物，又是一种非常清洁的发电方式。正是基于这些优点，燃 料电池成为了能源领域的新星。作为第三代燃料电池的固体氧化物燃料电池，由于其自身 的诸多优势：高效、全固态组件、燃料灵活、模块化结构等，被认为是最具有市场前景的一种 燃料电池。
[0004] 固体氧化物燃料电池由阳极、电解质和阴极三部分组成，阳极和阴极都同时肩负 导电子和导离子的任务，因此为双相复合材料，包含导电子材料和导离子材料。目前的一 大研究热点就是如何通过不同的材料制作方法获得不同的电极微观形态，以期提高电池性 能。静电纺丝电极即为目前最新的一种电极类型，它采用静电纺丝技术，将电极中的某一相 α制作成纺丝，将另一相β通过浸渍的方式附着于α相的纺丝上。
[0005] 由静电纺丝电极的制作过程和电极微观结构可知，附着于纺丝表面的β相由于 浸渍量的不同，可能存在不满足逾渗要求的情况，即在浸渍量较低时，颗粒由于随机分布于 纺丝表面，无法形成连贯的逾渗簇，也就没有通路供电子或离子迀移。因此静电纺丝电极纳 米颗粒逾渗几率在不同浸渍量下必须得到准确估计，以评估是否满足逾渗要求。
[0006] 目前对静电纺丝电极纳米颗粒逾渗几率的研究方法相对有限，主要通过实验方 法，但深入电极微观结构的实验需要依赖大量高精尖设备，成本高昂，且实验始终只能针对 极少数的样品进行研究，要进行系统的研究，比如不同浸渍量下的逾渗率，则是一个耗时耗 力耗财的过程。且实验中还存在一些难以控制的因素，比如由于单次浸渍量有限，要满足逾 渗要求，必须多次反复浸渍，这就难以准确控制浸渍效果，更无法准确获得逾渗阈值。
[0007] 总之，目前的实验法缺乏理论指导，亟需一个理论模型准确地计算静电纺丝电极 在不同浸渍量下的纳米颗粒逾渗几率，并得出逾渗阈值，为实验制作提供关键指导。
【发明内容】
[0008] 发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种固体氧化物 燃料电池静电纺丝电极纳米颗粒逾渗几率计算方法。
[0009] 技术方案：本发明的一种固体氧化物燃料电池静电纺丝电极纳米颗粒逾渗几率计 算方法，包括以下步骤：
[0010] (1)构建静电纺丝电极几何等效模型：
[0011] 基于静电纺丝电极微观形态，静电纺丝电极浸渍后包括形态区分明显的两部分， 即呈圆柱状的纺丝和呈球体状的浸渍纳米颗粒，浸渍纳米颗粒附着在纺丝表面；采用圆柱 等效纺丝、小球等效浸渍纳米颗粒以及使小球密实附着于圆柱表面的方法建立静电纺丝电 极几何等效模型；其中，小球一个紧挨一个附着于圆柱表面且每个小球之间不留缝隙；
[0012] (2)构建不同浸渍量下的几何结构：
[0013] 根据实际浸渍量的不同，在所述步骤（1)构建的模型中随机选定一部分浸渍纳米 颗粒予以保留，其余的浸渍纳米颗粒予以剔除，从而构建出不同浸渍量下的几何结构；
[0014] (3)统计计算逾渗几率：
[0015] 基于回归循环算法，判断每个颗粒是否属于逾渗簇，对于不属于任何逾渗簇的颗 粒须予以排除，最终统计出所有逾渗颗粒数，计算出其占所述步骤（2)中保留的纳米颗粒 数的百分比即为逾渗几率；其中，浸渍颗粒只有属于任意逾渗簇方为逾渗颗粒，逾渗簇为连 通纺丝底端和顶端的任意一簇颗粒；
[0016] (4)计算逾渗阈值：
[0017] 通过一系列计算得出不同浸渍量下的逾渗几率，找出静电纺丝电极浸渍纳米颗粒 的逾渗阈值。
[0018] 进一步的，所述步骤（1)的静电纺丝电极几何等效模型中，纺丝表面附着的浸渍 纳米颗粒数量随着浸渍量的不同而不同，且几何等效模型的尺度大小根据实际情况定制。
[0019] 进一步的，所述步骤（2)中，通过随机剔除部分浸渍纳米颗粒，建立不同浸渍量下 的几何结构，其具体过程为：
[0020] 设步骤⑴中建立的密实覆盖的几何模型中共有N个小球附着于圆柱表面，即有N 个浸渍纳米颗粒附着于纺丝表面，基于浸渍颗粒在纺丝表面分布的随机性，根据浸渍量ε 的不同，随机地选择并保留ε*Ν个小球，其余的（1_ε)*Ν个小球予以剔除，保留的小球数 即为该浸渍量对应下的纳米颗粒数，从而建立任意浸渍量ε下的几何结构。
[0021] 进一步的，在所述步骤（3)中，
[0022] 从圆柱纺丝表面最底部的一个颗粒出发，通过距离判断，找出从这个底部颗粒出 发的颗粒簇，再判断该颗粒簇是否逾渗，并将所有逾渗簇汇入一个数组中，数组中每行记录 一个颗粒的坐标数据，最终所得数组的行数即为逾渗颗粒数η，而逾渗几率则为
其具 体过程如下：
[0023] (31)将所述步骤⑵中保留的ε *Ν个颗粒的坐标信息放入数组A中，并查找出这 些颗粒中位于最底层的颗粒，将该最底层颗粒的坐标存入数组B中，然后再创建一个缓存 数组C用来存储由一个底部颗粒导引出来的颗粒簇；
[0024] (32)由于从每个底部颗粒出发的颗粒簇不一定都逾渗，所以每次获得一支颗粒簇 后需判断其是否逾渗，不逾渗的存入数组D，逾渗的存入数组E ;
[0025] (33)数组建立后，利用三个循环进行查找，由外到内依次为数组B中颗粒的循环、 数组A中颗粒的循环和数组C中颗粒的循环，即：先取数组B中一个颗粒，判断其是否已在 数组E或数组D中，如果是，则表明该颗粒已被检索存储，直接取下一个底部颗粒；如果否， 则表明从此颗粒出发的颗粒簇还没有被判断和提取，则将其存入清零的数组C中，作为一 支新的颗粒簇的开始；
[0026] (34)从该颗粒出发，进入第二层循环，依次取数组A中颗粒，先判断其是否已数组 在C中，若是，则直接取数组A中下一个颗粒；若否，则将该颗粒依次和数组C中颗粒判断距 离，只要找到其与数组C中颗粒相连，则将其存入数组C中，由此可知数组C在不断增长，然 后程序需从第二层循环从头开始，将数组A和更新以后的数组C再次相互进行查找，直到数 组A能够完成整个循环，表明所有（A-C)中的颗粒都不与C中任何颗粒相接触，即一支颗粒 簇已经被找到；这时只需判断是否逾渗后选择存入D或E中；
[0027] (35)最后转到最外层循环取下一个底部颗粒，直到完成所有底部颗粒的查找，最 终输出数组E即为所有逾渗颗粒的坐标信息，其行数即为逾渗颗粒数n，并计算出逾渗几率
[0028] 有益效果：本发明中的计算简单、计算量小、误差小、所得结果精准。
【附图说明】
[0029] 图1为实施例中浸渍颗粒（小球）密实覆盖纺丝（圆柱）表面的几何模型示意 图；
[0030] 图2为实施例中构建的浸渍量为ε = 52. 5%的模型示意图；
[0031] 图3为实施例中构建的浸渍模型中三种不同的浸渍颗粒状态示意图；其中，图 3(a)为一簇逾渗颗粒（逾渗簇）示意图，图3(b)为未能连通纺丝两端的颗粒簇（椭圆框 内）示意图，图3(c)为孤立的颗粒（椭圆框内）示意图；
[0032] 图