alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2015.23.014alternative-307Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНОГО СЛОЯ КАТОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: СВЯЗЬ ВЕЛИЧИНЫ ГАБАРИТНОГО ТОКА С ТЕМПЕРАТУРОЙ АКТИВНОГО СЛОЯCOMPUTER SIMULATION OF ACTIVE LAYER FUEL CELL WITH POLYMER ELECTROLYTE: СОNNECTION OVERALL CURRENT WITH TEMPERATURE OF ACTIVE LAYERЧирковЮ. Г.ChirkovYu. G.

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

DSc (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 РАН 119071, Москва, Ленинский пр., д. 31, корп. 4РоссияA.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS 31/5 Leninskiy ave., Moscow, 119991 RussiaRussian FederationНациональный исследовательский ядерный университет (МИФИ) 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31РоссияNational Research Nuclear University (MEPhY) 31 Kashirskoe sh., Moscow, 115409 RussiaRussian Federation201527042016023105115Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20162016Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/307

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 величина габаритного тока активного слоя катода с зернами подложки, поры которых полностью затоплены водой, много меньше, чем в случае, когда поры зерен подложки частично или даже полностью свободны от воды. Последний вариант функционирования активного слоя катода реализуется, если скорость процесса освобождения пор зерен подложки от влаги за счет испарения превышает скорость процесса затопления пор зерен подложки водой в результате генерации тока. Добиться увеличения габаритного тока можно, увеличивая степень разогрева активного слоя катода, добившись возможно 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 величины габаритного тока активного слоя катода при возрастании разности температур Тs-Т.  

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, if support grains pores are completely filled with water, the overall current value in the cathode active layer much less rather in the case when pores partially or even completely free of water. The last variant of a cathode active layer functioning is realized when the speed of emptiness process in pores from moisture due to evaporation exceeds the rate of flooding process of ones with water in the process of current generation. To increase the overall current is possible by increasing a degree of heating-up of the cathode active layer. 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 how overall current increase if magnify difference of temperature Ts–T. 

активный слой катода топливного элемента с полимерным электролитомкомпьютерное моделированиетранзиентпотенциостатический режим генерации токаразогрев активного слояпроцессы затопления и осушения пор зерен подложкирасчет 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 interrup-tion. Journal of Power Sources, 2007, vol. 171, pp. 670–677 (in Eng.).Li H., Tang Y., Wang Z., Shi Z., Wu S., Song D., Zhang J., Fatih K., Zhang J., Wang X., Liu Z., Abouatallah 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., Abouatalah R., Mazza A. A review of water flooding issues in he proton exchange mem-brane fuel cell. Journal of Power Sources, 2008, vol. 178, pp. 103 (in Eng.).Yousfi-Steiner N., Mocoteguy Ph., Candusso D., Hissel D., Hernandez A., Aslanides A. A review on PEMvoltage 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 (in Eng.).Weber A.Z., Hickner M.A. Modeling and high-resolution-imaging studies of water-content profiles in a polymer-electrolyte-fuel-cell membrane-electrode assembly // 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 assembly. Electrochimica Acta, 2008, vol. 53, pp. 7668–7674 (in Eng.).Tushar Swamy, Kumbur E.C., and Mench M.M. 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, Kumbur E.C., and Mench M.M. Characterization of Interfacial Structure in PEFCs: Water Storage and Contact Resistance Model. Journal of the Electrochemical Society, 2010, vol. 157(1), pp. B77-B85 (in Eng.).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 Electro-chemical Society, 2010, vol. 157(4), pp. B496-B505 (in Eng.).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 Combustion Science. 2011. Vol. 37. P. 221.Jiao K., Li X. Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells. Progress in Energy and Combustion Science, 2011, vol. 37, pp. 221 (in Eng.).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 (in Eng.).PEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers: fundamentals and applications / Ed. Zhang J. Springer Verlag London Limited, 2008.PEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers: fundamentals and applications / Ed. Zhang J. Springer Verlag London Limited, 2008 (in Eng.).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. Durability of PEFCs at high humidity conditions. J. Electrochem. Soc., 2005, vol. 152, pp. A104 (in Eng.).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. Stochastic microstructure reconstruction and direct numerical simulation of the PEFC catalyst layer. J. Electrochem. Soc., 2006, vol. 153, pp. A840 (in Eng.).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. Microstructure changes in the catalyst layers of PEM fuel cells induced by load cycling. Part I. Mechanical model. J. Power Sources, 2008, vol. 175, pp. 699 (in Eng.).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. 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, pp. 712 (in Eng.).Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Активный слой катода топливного элемента с полимерным электролитом: природа каналов подачи протонов и кислорода // Электрохимия. 2012. Т. 48. С. 1192. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2012. Vol. 48. P. 1086.]Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Aktivnyj sloj katoda toplivnogo èlementa s polimer-nym èlektrolitom: priroda kanalov podači protonov i kisloroda. Èlektrohimiâ, 2012, vol. 48, pp. 1192. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Russ. J. Electrochem., 2012, vol. 48, pp. 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. // Russ. J. Electrochem. 2014. Vol. 50 (9). P. 872.]Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Katod toplivnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom: konstruirovanie optimalʹnoj struktury aktivnogo sloâ. Èlektrohimiâ, 2014, vol. 50 (9), pp. 968. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Russ. J. Electrochem., 2014, vol. 50 (9), pp. 872] (in Russ.).Чирков Ю.Г. Пористые электроды в электрохимических технологиях: компьютерное моделирование // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 9. С. 59.Chirkov Yu.G. Poristye èlektrody v èlektrohimičeskih tehnologiâh: kompʹûternoe modelirovanie. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 9, pp. 59 (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.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Kompʹûternoe modelirovanie aktivnogo sloâ katoda toplivnogo èlementa s polimernym èlektrolitom: učet processa diffuzii kisloroda v zernah podložki. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 6, pp. 8 (in Russ.).Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: о факторах, тормозящих полноценное протекание процесса генерации тока // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 9. С. 8.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Kompʹûternoe modelirovanie aktivnogo sloâ katoda toplivnogo èlementa s polimernym èlektrolitom: o faktorah, tormozâŝih polnocennoe protekanie processa generacii toka. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 9, pp. 8 (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.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Process zatopleniâ vodoj aktivnogo sloâ katoda top-livnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (IS-JAEE), 2014, no. 14, pp. 58 (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.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. O stepeni zapolneniâ zeren podložki vodoj: ak-tivnyj sloj katoda toplivno-go èlementa s nafionom. Kompʹûternoe modelirovanie. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 17, pp. 57 (in Russ.).Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом: как можно увеличить величину габаритного тока, регулируя влагообмен в зернах подложки // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2015. № 4. С. 46.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Kompʹûternoe modelirovanie aktivnogo sloâ katoda toplivnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom: kak možno uveličitʹ veličinu gabaritnogo toka, reguliruâ vlagoobmen v zernah podložki. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015, no. 4, pp. 46 (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, pp. 2530 (in Russ.).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 harak-teristik katoda dlâ slučaâ, kogda polârizacionnaâ krivaâ imeet učastki s različnymi naklonami. Èlektrohimiâ, 2006, vol. 42 (7), pp. 806. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Russ. J. Electrochem., 2006, vol. 42 (9), pp. 722] (in Russ.).

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