alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2015.04.003alternative-105Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНОГО СЛОЯ КАТОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: КАК МОЖНО УВЕЛИЧИТЬ ГАБАРИТНЫЙ ТОК, РЕГУЛИРУЯ ВЛАГОБМЕН В ЗЕРНАХ ПОДЛОЖКИCOMPUTER SIMULATION OF ACTIVE LAYER FUEL CELL WITH POLYMER ELECTROLYTE: HOW DEGREE FILLING OF SUPPORT GRAIN BY WATER INFLUENCES ON OVERALL CURRENTЧирковЮ. Г.ChirkovYu. G.

д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии РАН

Dr. of Sciences (Chemistry), Leading Researcher, A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS

olga.nedelina@gmail.comРостокинВ. И.RostokinV. I.

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Общая физика» НИЯУ (МИФИ)

Associate Professor of the department "General physics",  National  Research Nuclear University (MEPhI), PhD (Physic-Mathematical  Sciences)

viktor.rostockin@yandex.ruИнститут физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАНРоссияA.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RASRussian FederationНациональный исследовательский ядерный университет (МИФИ)РоссияNational Research Nuclear University (MEPhY)Russian Federation201511112015044657Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20152015Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/105

В активном слое катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом процесс генерации тока совершается в зернах подложки. Скорость этого процесса существенным образом зависит от степени заполнения пор зерен подложки водой. Расчеты показывают, что габаритный ток активного слоя катода с зернами подложки, поры которых полностью затоплены водой, намного меньше, чем в случае, когда поры зерен подложки частично или даже полностью свободны от воды. Последний вариант функционирования активного слоя катода реализуется, если скорость освобождения пор зерен подложки от влаги за счет испарения превышает скорость затопления пор в результате генерации тока. Чтобы увеличить габаритный ток активного слоя катода необходимо поднять степень его разогрева (добиться большего превышения температуры активного слоя Ts над температурой Т, при которой функционирует топливный элемент). В данном исследовании (оно велось методом компьютерного моделирования) представлен конкретный пример расчетов габаритного тока активного слоя катода. Показано, что при полном затоплении пор зерен подложки водой габаритный ток I = 0,223 А/см2, если же объем пор в зернах подложки заполнен водой примерно на 10 процентов, то I = 1,151 A/см2.

In the cathode active layer of a fuel cell with a solid polymer electrolyte, process of current generation takes place in support grains. The speed of this process essentially depends on a degree of support grains pores filling with water. Calculations show that the overall current value in the cathode active layer with the pores of support grains completely filled with water are much less than with pores partially filled or even without water. The last variant is realized when the rate of moisture evaporation from the pores of the support grains exceeds the rate of flooding them in the current generation process. In order to increase the overall current, a degree of heating-up of the cathode active layer is necessary to increase.  It is desirable that the temperature of the active layer Ts as much as possible exceed the temperature T, which the fuel cell operates. In this study by method of computer simulation, a specific example of determining the overall current value in the cathode active layer is presented. It is shown that if the pores of support grains are completely filled with water, then overall current I = 0.223 A/cm2, and if the pores of the support grains are filled with water only about 10 percent then I = 1.151 A/cm2.

 

активный слой катода топливного элемента с полимерным электролитомкомпьютерное моделированиепотенциостатический режим генерации токапроцессы затопления и осушения пор зерен подложкиявление разогрева активного слоярасчет габаритных характеристикcathode of fuel cell with polymer electrolyte (PEMFC)active layercomputer simulationprocess flooding and draining in support grainsthe warming of active layercalculation of overall currentsReferencesRubio M.A., Urquia A., Dormido S. Diagnosis of PEM fuel cells through current interruption // Journal of Power Sources. 2007. Vol. 171. P. 670–677.Rubio M.A., Urquia A., Dormido S. Diagnosis of PEM fuel cells through current interruption. Journal of Power Sources, 2007, vol. 171, pp. 670–677.Li H., Tang Y., Wang Z., Shi Z., Wu S., Song D., Zhang J., Fatih K., Zhang J., Wang X., Liu Z., Abouatal-lah R., Mazza A. A review of water flooding issues in the proton exchange membrane fuel cell // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 178. P. 103.Li H., Tang Y., Wang Z., Shi Z., Wu S., Song D., Zhang J., Fatih K., Zhang J., Wang X., Liu Z., Abouatal-lah R., Mazza A. A review of water flooding issues in the proton exchange membrane fuel cell. Journal of Power Sources, 2008, vol. 178, pp. 103.Yousfi-Steiner N., Mocoteguy Ph., Candusso D., Hissel D., Hernandez A., Aslanides A. A review on PEM voltage degradation associated with water management: Impacts, influent factors and characterization // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 183. P. 260.Yousfi-Steiner N., Mocoteguy Ph., Candusso D., Hissel D., Hernandez A., Aslanides A. A review on PEM voltage degradation associated with water management: Impacts, influent factors and characterization. Journal of Power Sources, 2008, vol. 183, pp. 260.Weber A.Z., Hickner M.A. Modeling and high-resolution-imaging studies of water-content profiles in a polymer-electrolyte-fuel-cell membrane-electrode as-sembly // Electrochimica Acta. 2008. Vol. 53. P. 7668–7674.Weber A.Z., Hickner M.A. Modeling and high-resolution-imaging studies of water-content profiles in a polymer-electrolyte-fuel-cell membrane-electrode as-sembly. Electrochimica Acta, 2008, vol. 53, pp. 7668–7674.Tushar Swamy, E. C. Kumbur, and M. M. Mench. Characterization of Interfacial Structure in PEFCs: Water Storage and Contact Resistance Model // Journal of The Electrochemical Society. 2010. Vol. 157(1). P. B77-B85.Tushar Swamy, E. C. Kumbur, and M. M. Mench. Characterization of Interfacial Structure in PEFCs: Water Storage and Contact Resistance Model. Journal of The Electrochemical Society, 2010, vol. 157(1), pp. B77–B85.Xuhai Wang and Trung Van Nguyen. Modeling the Effects of the Microporous Layer on the Net Water Transport Rate Across the Membrane in a PEM Fuel Cell // Journal of The Electrochemical Society. 2010. Vol. 157(4). P. B496-B505.Xuhai Wang and Trung Van Nguyen. Modeling the Effects of the Microporous Layer on the Net Water Transport Rate Across the Membrane in a PEM Fuel Cell. Journal of the Electrochemical Society, 2010, vol. 157(4), pp. B496–B505.Rubio M.A., Urquia A., Dormido S. Diagnosis of performance degradation phenomena in PEM fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. P. 2586–2590.Rubio M.A., Urquia A., Dormido S. Diagnosis of performance degradation phenomena in PEM fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy, 2010, vol. 35, pp. 2586–2590.Jiao K., Li X. Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells // Progress in Energy and Com-bustion Science. 2011. Vol. 37. P. 221.Jiao K., Li X. Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells. Progress in Energy and Com-bustion Science, 2011, vol. 37, pp. 221.Li Chen, Hui-Bao Luan, Ya-Ling He, Wen-Quan Tao. Pore-scale flow and mass transport in gas diffusion layer of proton exchange membrane fuel cell with inter-digitated flowfields // International Journal of Thermal Sciences. 2012. Vol. 51. P. 132–144.Li Chen, Hui-Bao Luan, Ya-Ling He, Wen-Quan Tao. Pore-scale flow and mass transport in gas diffusion layer of proton exchange membrane fuel cell with inter-digitated flowfields. International Journal of Thermal Sciences, 2012, vol. 51, pp. 132–144.PEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers: fun¬damentals and applications / Ed. Zhang J. Springer¬ Verlag London Limited, 2008. 1137 p.PEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers: fundamentals and applications / Ed. Zhang J. Springer Verlag London Limited, 2008, 1137 p.Xie J., Wood I. D.L., Wayne D.M., Zawodzinski T.A., Atanassov P., Borup R.L. Durability of PEFCs at high humidity conditions // J. Electrochem. Soc. 2005. Vol. 152. P. A104.Xie J., Wood I. D.L., Wayne D.M., Zawodzinski T.A., Atanassov P., Borup R.L. J. Electrochem. Soc., 2005, vol. 152, p. A104.Mukherjee P.P., Wang C.Y. Stochastic micro-structure reconstruction and direct numerical simulation of the PEFC catalyst layer // J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153. P. A840.Mukherjee P.P., Wang C.Y. J. Electrochem. Soc., 2006, vol. 153, p. A840.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. Microstructure changes in the catalyst layers of PEM fuel cells induced by load cycling. Part I. Mechanical model // J. Power Sources. 2008. Vol. 175. P. 699.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. J. Power Sources, 2008, vol. 175, p. 699.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. Microstructure changes in the catalyst layers of PEM fuel cells induced by load cycling. Part II. Simulation and understanding // J. Power Sources. 2008. Vol. 175. P. 712.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. J. Power Sources, 2008, vol. 175, p. 712.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Активный слой катода топливного элемента с полимерным электро-литом: природа каналов подачи протонов и кислорода // Электрохимия. 2012. Т.48. С.1192.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Aktivnyj sloj katoda toplivnogo èlementa s polimernym èlektrolitom: priroda kanalov podači protonov i kisloroda. Èlektrohimiâ, 2012, vol. 48, p.1192 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Russ. J. Electrochem, 2012, vol. 48, p. 1086] [in Russ.].Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Катод топливного элемента с твердым полимерным электролитом: конструирование оптимальной структуры активного слоя // Электрохимия. 2014. Т. 50 (9). С. 968.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Katod toplivnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom: konstruiro-vanie optimalʹnoj struktury aktivnogo sloâ. Èlektrohimiâ, 2014, vol. 50 (9), p. 968 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Russ. J. Electrochem, 2014, vol. 50 (9), p. 872] [in Russ.].Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: учет процесса диффузии кислорода в зернах подложки // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 6. С. 8–15.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Kompʹûternoe modelirovanie aktivnogo sloâ katoda toplivnogo èlemen-ta s polimernym èlektrolitom: učet processa diffuzii kis-loroda v zernah podložki. International Scientific Jour-nal «Alʹternativnaâ ènergetika i èkologiâ» (ISJAEE), 2014, no. 6, pp. 8–15 [in Russ.].Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: о факторах, тормозящих полноценное протекание процесса гене-рации тока // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 9. С. 8–21.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Kompʹûternoe modelirovanie aktivnogo sloâ katoda toplivnogo èlemen-ta s polimernym èlektrolitom: o faktorah, tormozâŝih polnocennoe protekanie processa generacii toka. International Scientific Journal «Alʹternativnaâ ènergetika i èkologiâ» (ISJAEE), 2014, no. 9, pp. 8–21 [in Russ.].Чирков Ю.Г. Пористые электроды в электро-химических технологиях: компьютерное моделиро-вание // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 9. С. 55–59.Chirkov Yu.G. Poristye èlektrody v èlektro-himičeskih tehnologiâh: kompʹûternoe modelirovanie. International Scientific Journal «Alʹternativnaâ èner-getika i èkologiâ» (ISJAEE), 2014, 9, pp. 55–59 [in Russ.].Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Процесс затопления водой активного слоя катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 14. С. 58–68Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Process zatopleniâ vodoj aktivnogo sloâ katoda toplivnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom. International Scien-tific Journal «Alʹternativnaâ ènergetika i èkologiâ» (ISJAEE), 2014, no. 14, pp. 58–68 [in Russ.].Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. О степени заполнения зерен подложки водой: активный слой катода топливного элемента с нафионом. компьютерное моделирование // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 17. С. 57–65.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. O stepeni zapolneniâ zeren podložki vodoj: aktivnyj sloj katoda toplivnogo èlementa s nafionom. kompʹûternoe modelirovanie. International Scientific Journal «Alʹternativnaâ ènergetika i èkologiâ» (ISJAEE), 2014, no. 17, pp. 57–65 [in Russ.].Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby A.J., Martin C.R . Тemperature dependence of the electrode kinetics of oxygen reduction at the platinum/Nafion - a microelectrode investigation // J. Electrochem. Soc. 1992. Vol. 139. P. 2530.Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby A.J., Martin C.R . Temperature dependence of the electrode kinetics of oxygen reduction at the platinum/Nafion - a microelectrode investigation. J. Electrochem. Soc., 1992, vol. 139, p. 2530.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Теория пористых электродов: расчет габаритных характеристик катода для случая, когда поляризационная кривая имеет участки с различными наклонами // Электрохимия. 2006. Т. 42(7). С. 806. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. Vol. 42 (9). P. 722]Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Teoriâ poristyh èlektrodov: rasčet gabaritnyh harakteristik katoda dlâ slučaâ, kogda polârizacionnaâ krivaâ imeet učastki s različnymi naklonami. Èlektrohimiâ, 2006, vol. 42(7), p. 806 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Russ. J. Electrochem., 2006, vol. 42 (9), p. 722] [in Russ.].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.