alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2016.01-02.008alternative-309Research ArticleКАТАЛИЗCATALYSISАКТИВНЫЙ СЛОЙ КАТОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЛАГООБМЕНА В ЗЕРНАХ ПОДЛОЖКИACTIVE LAYER OF FUEL CELL CATHODE WITH POLYMER ELECTROLYTE: COMPUTER SIMULATION PROCESS OF MOISTURE EXCHANGE IN SUPPORT GRAINSЧирковЮ. Г.ChirkovYu. G.

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

D.Sc. (chemistry), leading researcher, A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS

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

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

Ph.D. (physics and mathematics), associate professor of the General physics department, National Research Nuclear University (MEPhI)

viktor.rostockin@yandex.ruИнститут физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН Ленинский пр., д. 31, корп. 4, Москва, Россия, 119071РоссияA.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS 31/4 Leninskiy ave., Moscow, Russia, 119991Russian FederationНациональный исследовательский ядерный университет (МИФИ) Каширское шоссе, д. 31, Москва, Россия, 115409РоссияNational Research Nuclear University (MEPhY) 31 Kashirskoe drive, Moscow, Russia, 115409Russian Federation20162804201601-27687Copyright © 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/309

В активном слое катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом процесс генерации тока совершается в зернах подложки (агломераты углеродных частиц, на поверхность которых нанесена платина). Скорость этого процесса существенным образом зависит от степени заполнения пор зерен подложки водой. Расчеты показывают, что плотность габаритного тока активного слоя катода с зернами подложки, поры которых полностью затоплены водой, во много раз 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 и фильтрации превышает скорость процесса затопления пор зерен подложки водой в результате генерации тока. В данном исследовании (оно велось методом компьютерного моделирования) представлен конкретный пример расчетов плотность габаритного тока активного слоя катода в потенциостатическом режиме при варьировании скорости процесса фильтрации воды в зернах подложки.

In the cathode active layer of a fuel cell with a solid polymer electrolyte process, the current generation takes place in support grains (agglomerates of carbon particles with supported platinum). 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 density in the cathode active layer is much less than in the case of the pores partially or even completely free of water. The last variant of a cathode active layer functioning is realized when the release rate of pores from moisture due to evaporation and filtration of water exceeds the rate of flooding process of ones with water in the process of current generation. This study by method of computer simulation presents a specific example of determining the overall current density in the cathode active layer with varying the speed of emptiness process in pores from moisture due to filtration.

активный слой катода топливного элемента с полимерным электролитомкомпьютерное моделированиепотенциостатический 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 evaporation and filtration of watercalculation of overall current at potentiostatic regimeReferences1. Rubio 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. 103–117.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, pp. 103–117 (in Eng.).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. 260–274.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. 260–274 (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. 221–291.Jiao K., Li X. Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells. Progress in Energy and Combustion Science, 2011, vol. 37, pp. 221–291 (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–A113.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–A113 (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–A849.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, pp. A840–A849 (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. 699–711.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. 699–711 (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. 712–723.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. 712–723 (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. 1192–1204 [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 polimernym èlektrolitom: priroda kanalov podači protonov i kisloroda. Èlektrohimiâ, 2012, vol. 48, pp. 1192–1204. [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. 968–982 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2014. V. 50 (9). P. 872]16 Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Katod toplivnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom: konstruirovanie optimalʹnoj struktury aktivnogo sloâ. Èlektrohimiâ, 2014, vol. 50 (9), pp. 968–982 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Russ. J. Electrochem, 2014, vol. 50 (9), pp. 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 èlementa s polimernym èlektrolitom: učet processa diffuzii kisloroda v zernah podložki. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 6, pp. 8–15 (in Russ.).Чирков Ю.Г. Пористые электроды в электрохимических технологиях: компьютерное моделирование // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 9. С. 8–21.Chirkov Yu.G., Poristye èlektrody v èlektrohimičeskih tehnologiâh: kompʹûternoe modelirovanie. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 9, pp. 8–21 (in Russ.).Чирков Ю.Г. Пористые электроды в электро-химических технологиях: компьютерное моделирование // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 9. С. 55–59.Chirkov Yu.G., Poristye èlektrody v èlektrohimičeskih tehnologiâh: kompʹûternoe modelirovanie, International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 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. 58–68.20 Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Process zatopleniâ vodoj aktivnogo sloâ katoda toplivnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom, International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (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 top-livnogo èlementa s nafionom. Kompʹûternoe modelirovanie, International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014, no. 17, pp. 57–65 (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. 46–57.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. 46–57 (in Russ.).Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом: связь величины габаритного тока с температурой активного слоя» // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2015. № 23. С. 105–115.Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Kompʹûternoe modelirovanie aktivnogo sloâ katoda toplivnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom: svâzʹ veličiny gabaritnogo toka s temperaturoj aktivnogo sloâ, International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2015, no. 23, pp. 105–115 (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. 2530–2537.24 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. 2530–2537 (in Eng.).Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М.: Наука, 1977.Polubarinova-Kochina P.Ya. Teoriâ dviženiâ gruntovyh vod. Moscow: Nauka Publ., 1977 (in Russ.).Теоретические основы инженерной геологии. Механико-математические основы. М.: Недра, 1986.Teoretičeskie osnovy inženernoj geologii. Mehaniko-matematičeskie osnovy. Moscow: Nedra Publ., 1986 (in Russ.).Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: МГУ, 1995.Shestakov V.M. Gidrogeodinamika. Moscow: MGU Publ., 1995 (in Russ.).Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Физика почвы. М.: Наука, 1967.Nerpin S.V., Chudnovskij A.F. Fizika počvy. Moscow: Nauka Publ., 1967 (in Russ.).Амаглобели И.П. Фильтрация неньютоновских жидкостей через грунты и бетоны. Статья в книге Фильтрация воды через бетон, бетонные конструкции и сооружения. Л.: Энергия. 1971.Amaglobeli I.P. Filʹtraciâ nenʹûtonovskih židkostej čerez grunty i betony. Statʹâ v knige Filʹtraciâ vody čerez beton, betonnye konstrukcii i sooruženiâ. Leningrad: Ènergiâ Publ., 1971 (in Russ.).Бондаренко В.Ф. Физика движения поземных вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.Bondarenko V.F. Fizika dviženiâ pozemnyh vod. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1973 (in Russ.).Физика почвенных вод. М.: Наука, 1981.Fizika počvennyh vod. Moscow: Nauka Publ., 1981 (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. 806–812 [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), pp. 806–812 [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.