References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2016.07-08.043-056

alternative-329

Research Article

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

HYDROGEN ECONOMY

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНОГО СЛОЯ КАТОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: ТРАНЗИЕНТ ГАБАРИТНОГО ТОКА, РАСЧЕТ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

COMPUTER SIMULATION OF THE CATHODE ACTIVE LAYER IN FUEL CELLS WITH SOLID POLYMER ELECTROLYTE: OVERALL CATHODE CURRENT TRANSIENT AND CALCULATION OF CATHODE OVERALL CHARACTERISTICS

Чирков

Ю. Г.

Chirkov

Yu. G.

корп. 4, д. 31, Ленинский пр-т, Москва, 119071

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

Образование: МИФИ (1960) по специальности «Теоретическая ядерная физика».

Область научных интересов: теория пористых электродов в электрохимических технологиях (топливные элементы, литийионные аккумуляторы, суперконденсаторы, электролиз воды и хлора и т.д.).

Публикации: 250.

31/5 Leninsky ave., Moscow, 119991

Information about the author: D.Sc. (chemistry), leading researcher, A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry of RAS.

Education: Moscow Engineering Physics Institute (1960) on “Theoretical nuclear physics”.

Research area: theory of porous electrodes in electrochemical technologies (fuel cells, lithium-ion batteries, super capacitors, water electrolysis, and so on).

Publications: 250.

olga.nedelina@gmail.com

Ростокин

В. И.

Rostokin

V. I.

д. 31, Каширское шоссе, Москва, 115409

Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Общая физика» НИЯУ (МИФИ); стаж преподавательской работы 50 лет.

Награды: III-я премия Государственного Комитета СССР по народному образованию «За значительные успехи в перестройке содержания учебно-воспитательного процесса, его обновления в свете современных достижений и перспектив развития науки, техники и культуры, создание спецкурсов по направлениям, определяющим научно-технический и социальный прогресс СССР (Постановление Коллегии Госкомитета СССР по народному образованию от 21.06.1991 г. № 10/3)».

Образование: МИФИ по специальности «Теоретическая ядерная физика» (1960).

Область научных интересов: теория пористых электродов в электрохимических технологиях (топливные элементы, литий- ионные аккумуляторы, суперконденсаторы), а также проблемы ядерной и атомной физики.

Публикации: более 120.

31 Kashirskoe drive, Moscow, 115409

Information about the author: Ph.D. (physics and mathematics), associate professor of the General Physics department, National Research Nuclear University (MEPhI); experience of teaching work for 50 years.

Awards: third prize of the USSR State Committee on public education “For significant progress in the restructuring of the content of the educational process, it update in light of recent achievements and perspectives of development of science, technology and culture, the creation of special courses for directions, determining technical, scientific and social progress of the USSR (the Resolution of the Collegiums of the USSR State Committee for public education at.06.1991, No. 10/3)”.

Education: Moscow Engineering Physics Institute (1960) on “Theoretical nuclear physics”.

Research area: theory of porous electrodes in electrochemical technologies (fuel cells, lithium-ion batteries, super capacitors), and problems of nuclear and atomic physics.

Publications: more than 120.

viktor.rostockin@yandex.ru

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАНРоссияA.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RASRussian Federation

Национальный исследовательский ядерный университет (МИФИ)РоссияNational Research Nuclear University (MEPhY)Russian Federation

2016

03062016

07-84356

2016

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/329

Проведено компьютерное моделирование структуры активного слоя катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом и рассчитан транзиент габаритного тока для ряда значений потенциала катода. Предполагалось, что в процессах влагообмена в зернах подложки (агломераты углеродных частиц, на поверхность которых нанесена платина) действуют два фактора: затопление пор в зернах подложки водой, выделяющейся при электрохимическом восстановлении платины, и осушение зерен в результате фильтрации воды.

Проведен расчет вольтамперных кривых. Когда температура активного слоя Тs превышает температуру Т, при которой функционирует топливный элемент, наблюдается значительное возрастание габаритных токов катода с ростом Тs . Связано это с тем, что по завершении транзиента габаритного тока зерна подложки в катоде оказываются лишь частично затопленными водой. Показано также, что освобождение зерен подложки от воды и соответствующее этому увеличение значения габаритного тока катода тем больше, чем выше скорость потока фильтрации (она пропорциональна константе k в законе Дарси). Таким образом, можно увеличивать габаритный ток катода при заданном значении его потенциала, варьируя (повышая) температуру активного слоя Тs и константу Дарси k.

A computer simulation of the structure of the active layer cathode of a fuel cell with solid polymer electrolyte is carried out. The calculation process of the overall transient current for several values of the potential of the cathode was carried out. It was assumed that in the processes of wet interface in the substrate grains (agglomerates of carbon particles on the surface of which is covered with platinum) there are two factors: flooding of the pores in the grains of the substrate by water released during the electrochemical recovery of platinum, and draining of the grains as a result of water filtration.

The paper calculates the current-voltage curves. When the temperature Ts of the active layer exceeds the temperature T at which the fuel cell operates, there has been a significant increase in overall value of the currents of the cathode with increase Ts . This is due to the fact that at the transient overall value of the current, the substrate grains in the active layer are only partially submerged by water. It is also shown that the higher the flow rate of filtration is (it is proportional to the constant k in Darcy's law), the greater the release of the grains of the substrate from the water and a corresponding increase in the overall value of the current of the cathode is. Thus, to increase the amount of overall current of the cathode for a given value of capacity is possible by varying (increasing) the temperature of the active layer T and the Darcy constant k.

активный слой катода топливного элемента с твердым полимерным электролитомкомпьютерное моделированиепотенциостатический режим генерации токапроцессы затопления и осушения пор зерен подложкитранзиентрасчет вольтамперных кривых

active layer cathode of a fuel cell with solid polymer electrolytecomputer simulationpotentiostatic mode in current generationthe processes of flooding and draining of pores in substrate grainstransientthe calculation of current-voltage curves

References1

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–А113.

Mukherjee P.P., Wang C.Y. Stochastic microstructure reconstruction and direct numerical simulation of the PEFC catalyst layer // J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153. P. A840–А849.

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 II. Simulation and understanding // J. Power Sources. 2008. Vol. 175. P. 712–723.

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.1192–1204. Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Aktivnyj sloj katoda toplivnogo èlementa s polimernym èlektrolitom: priroda kanalov podači protonov i kisloroda. Russ. J. Electrochem., 2012, vol. 48, pp. 1086 (in Eng.).

Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. М.: Эдиториал УРСС, 2011. 112 с. Tarasevich Yu.Yu. Perkolâciâ: teoriâ, priloženiâ, algoritmy. Moscow: Èditorial URS Publ., 2011 (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. Katod toplivnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom: konstruirovanie optimalʹnoj struktury aktivnogo sloâ. Russ. J. Electrochem., 2014, vol. 50 (9), pp. 872 (in Eng.).

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. 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. 8–21. 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. 8–21 (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. 8–21. 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. 8–21 (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. 105–115. 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. 105–115 (in Russ.).

Чирков Ю.Г., Ростокин В.И., Кузов А.В. Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом: исследование природы транзиента габаритного тока // Электрохимия. 2016. Т. 52(2). С. 142–156. Chirkov Yu.G., Rostokin V.I., Kuzov A.V. Kompʹûternoe modelirovanie aktivnogo sloâ katoda toplivnogo èlementa s tverdym polimernym èlektrolitom: issledovanie prirody tranzienta gabaritnogo toka. Russ. J. Electrochem., 2016, vol. 52 (2), pp.123–135 (in Eng.).

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.

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.

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.

Weber A.Z., Hickner M.A. Modeling and highresolution-imaging studies of water-content profiles in a polymer-electrolyte-fuel-cell membrane-electrode assembly // Electrochimica Acta. 2008. Vol. 53. P. 7668–7674.

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.

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.

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.

Jiao K., Li X. Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells // Progress in Energy and Combustion Science. 2011. Vol. 37. P. 221–291.

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 interdigitated flowfields // International Journal of Thermal Sciences. 2012. Vol. 51. P. 132–144.

Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Активный слой топливного элемента с полимерным электролитом: компьютерное моделирование процесса влагообмена в зернах подложки // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (IS-JAEE). 2016. № 1. С. 15–23. Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Aktivnyj sloj toplivnogo èlementa s polimernym èlektrolitom: kompʹûternoe modelirovanie processa vlagoobmena v zernah podložki. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2016, no. 1, pp. 15–23 (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.

Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М.: Наука, 1977. 664с. 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., Chudnovsky A.F. Fizika počvy. Moscow: Nauka Publ., 1967 (in Russ.).

Амаглобели И.П. Фильтрация неньютоновских жидкостей через грунты и бетоны. В кн. Л.: Энергия. 1971. Amaglobeli I.P. Filʹtraciâ nenʹûtonovskih židkostej čerez grunty i betony. 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. Teoriâ poristyh èlektrodov: rasčet gabaritnyh harakteristik katoda dlâ slučaâ, kogda polârizacionnaâ krivaâ imeet učastki s različnymi naklonami. Russ. J. Electrochem., 2006, vol. 42 (9), pp. 722 (in Eng.).

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