alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейсalternative-434Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYКомпьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: Учет процесса диффузии кислорода в зернах подложкиThe computer modeling of active layer cathode of fuel cell with polymer electrolyte: the process of oxygen diffusion in support grainЧирковЮ. Г.ChirkovYu. G.olga.nedelina@gmail.comРостокинВ. И.RostokinV. I.noemail@neicon.ruУчреждение Российской академии наук Институт 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 Federation2014230620166815Copyright © 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/434

Проведено полное компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом. Моделировалась не только транспортная структура активного слоя, позволяющая доставлять электроны, протоны и молекулы кислорода для совершения электрохимического процесса восстановления кислорода в любом сечении активного слоя, но также моделировалась и структура зерен подложки (агломераты углеродных частиц, на поверхность которых нанесена платина). Рассчитаны поляризационные кривые активного слоя с учетом омических и диффузионных ограничений (подача протонов и кислорода), которые неизбежно возникают в зернах подложки. Изучено два состояния зерен подложки: их поры полностью свободны от воды и поры полностью затоплены водой. Продемонстрировано, что затопление пор зерен подложки способно привести к резкому снижению величин габаритных токов.

This paper presents a computer simulation study of the active layer cathode of a fuel cell with polymer electrolyte. We simulate both (1) the transport structure of the active layer (which delivers electrons, protons, and oxygen molecules for the realization of the electrochemical oxygen reduction process in any part of the active layer) and (2) the structure of support grains (that is, agglomerates of carbon particles with supported platinum). Our calculations of the volt-ampere characteristics of the active layer take into account ohmic and diffusion limitations (the transport of protons and oxygen) that inevitably arise in support grains. We study two conditions of support grains: (a) with their pores entirely free of water, and (b) with their pores filled with water. The study demonstrates that filling support grains with water leads to a sharp decrease of overall current.

катод топливного элемента с полимерным электролитомактивный слойкомпьютерное моделированиеучет омических и диффузионных ограничений в зернах подложкирасчет габаритных токов катодаcathode of fuel cell with polymer electrolyteactive layercomputer simulationohmic and diffusion limitations in support grainscalculation of cathode overall currentsReferencesPEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers: fundamentals 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. // J. Electrochem. Soc. 2005. V. 152. P. A104.Xie J., Wood I. D.L., Wayne D.M., Zawodzinski T.A., Atanassov P., Borup R.L. // J. Electrochem. Soc. 2005. V. 152. P. A104.Mukherjee P.P., Wang C.Y. // J. Electrochem. Soc. 2006. V. 153. P. A840.Mukherjee P.P., Wang C.Y. // J. Electrochem. Soc. 2006. V. 153. P. A840.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. V. 175. P. 699.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. V. 175. P. 699.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. V. 175. P. 712.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. V. 175. P. 712.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2012. Т.48. С.1192. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I.// Russ. J. Electrochem. 2012. V.48. P.1086].Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2012. Т.48. С.1192. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I.// Russ. J. Electrochem. 2012. V.48. P.1086].Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. М.: Эдиториал УРСС, 2001, 144 с.Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. М.: Эдиториал УРСС, 2001, 144 с.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия, 2014. V.50. №9 (статья в печати).Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия, 2014. V.50. №9 (статья в печати).Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O.'M. // J. Phys. Chem. 1966. V. 45. P. 4057.Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O.'M. // J. Phys. Chem. 1966. V. 45. P. 4057.Sepa D.B., Vojnovic V., Damjanovic A. // Electrochim. Acta. 1981. V. 26. P. 781.Sepa D.B., Vojnovic V., Damjanovic A. // Electrochim. Acta. 1981. V. 26. P. 781.Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby J. //Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby J. //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: fun-damentals 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. // J. Electrochem. Soc. 2005. V. 152. P. A104.Xie J., Wood I. D.L., Wayne D.M., Zawodzinski T.A., Atanassov P., Borup R.L. // J. Electrochem. Soc. 2005. V. 152. P. A104.Mukherjee P.P., Wang C.Y. // J. Electrochem. Soc. 2006. V. 153. P. A840.Mukherjee P.P., Wang C.Y. // J. Electrochem. Soc. 2006. V. 153. P. A840.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. V. 175. P. 699.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. V. 175. P. 699.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. V. 175. P. 712.Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. V. 175. P. 712.Cirkov Û.G., Rostokin V.I. // Èlektrohimiâ. 2012. T.48. S.1192. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I.// Russ. J. Electrochem. 2012. V.48. P.1086].Cirkov Û.G., Rostokin V.I. // Èlektrohimiâ. 2012. T.48. S.1192. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I.// Russ. J. Electrochem. 2012. V.48. P.1086].Tarasevic Û.Û. Perkolâciâ: teoriâ, prilozeniâ, algoritmy. M.: Éditorial URSS, 2001, 144 s.Tarasevic Û.Û. Perkolâciâ: teoriâ, prilozeniâ, algoritmy. M.: Éditorial URSS, 2001, 144 s.Cirkov Û.G., Rostokin V.I. // Èlektrohimiâ, 2014. V.50. #9 (statâ v pecati).Cirkov Û.G., Rostokin V.I. // Èlektrohimiâ, 2014. V.50. #9 (statâ v pecati).Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O.'M. // J. Phys. Chem. 1966. V. 45. P. 4057.Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O.'M. // J. Phys. Chem. 1966. V. 45. P. 4057.Sepa D.B., Vojnovic V., Damjanovic A. // Electrochim. Acta. 1981. V. 26. P. 781.Sepa D.B., Vojnovic V., Damjanovic A. // Electrochim. Acta. 1981. V. 26. P. 781.Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby J. // Electrochem. Soc. 1992. V. 139. P. 2530.Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby J. // Electrochem. Soc. 1992. V. 139. P. 2530.Antoine O., Bultel Y., Durand R. // J. Electroanalyt. Chem. 2001. V. 499. P. 85.Antoine O., Bultel Y., Durand R. // J. Electroanalyt. Chem. 2001. V. 499. P. 85.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2006. Т.42. С.806 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. V. 42. P. 722]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2006. Т.42. С.806 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. V. 42. P. 722]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2006. Т.42. С.799 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. V. 42. P. 715] Electrochem. Soc. 1992. V. 139. P. 2530.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2006. Т.42. С.799 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. V. 42. P. 715] Electrochem. Soc. 1992. V. 139. P. 2530.Antoine O., Bultel Y., Durand R. // J. Electroanalyt. Chem. 2001. V. 499. P. 85.Antoine O., Bultel Y., Durand R. // J. Electroanalyt. Chem. 2001. V. 499. P. 85.Cirkov Û.G., Rostokin V.I. // Èlektrohimiâ. 2006. T.42. S.806 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. V. 42. P. 722]Cirkov Û.G., Rostokin V.I. // Èlektrohimiâ. 2006. T.42. S.806 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. V. 42. P. 722]Cirkov Û.G., Rostokin V.I. // Èlektrohimiâ. 2006. T.42. S.799 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. V. 42. P. 715]Cirkov Û.G., Rostokin V.I. // Èlektrohimiâ. 2006. T.42. S.799 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. V. 42. P. 715]

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