alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейсalternative-474Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYКомпьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: о факторах, тормозящих полноценное протекание процесса генерации токаComputer simulation of active layer of fuel cell with polymer electrolyte: negative factors for overall current generationЧирковЮ. Г.ChirkovYu. G.olga.nedelina@gmail.comРостокинВ. И.RostokinV. I.noemail@neicon.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 Federation2014230620169821Copyright © 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/474

Проведено полное компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом (нафионом). В результате анализа всех стадий генерации тока выявлены три главных негативных фактора, которые, несмотря на высокие потенциальные возможности топливного элемента с полимерным электролитом (в активном слое катода в зернах подложки удельная поверхность, на которой может идти электрокатализ, достигает больших величин ~ 106 см-1), препятствуют в стандартных условиях (потенциал кислородного катода Е0 = 0,6 В, температура 80 °С, давление 101 кПа) получать токи выше 1-2 А/см2. Поэтому в топливных элементах с нафионом пока не удается превзойти габаритные токовые показатели, которые были получены (те же единицы А/см2) в топливных элементах с гидрофобизированными электродами и с жидкими растворами электролитов.

Full computer simulation of the active layer of a fuel cell cathode with polymer electrolyte (Nafion) is carried out. In the active layer of cathode inside carbon, the cluster specific surface area of support grains, which enables the process of oxygen reduction, can reach as much as 106 cm-1. For this reason, fuel cells with polymer electrolyte appear to be potentially highly valuable. At the same time, our analysis of all stages of current generation has established three negative factors. Due to these factors, the overall current of fuel cells with polymer electrolyte cannot exceed 1-2 А/cm2 under standard conditions (i.e., oxygen cathode potential E0 = 0.6 V, temperature 80 °С, pressure 101 kPa). As a result, the overall characteristics of fuel cells with Nafion are unfortunately the same as those of fuel cells with liquid electrolyte solutions.

компьютерное моделированиекатод топливного элемента с полимерным электролитомактивный слойучет диффузионных ограничений в зернах подложкирасчет габаритных характеристикfuel cell with polymer electrolyteactive layer of cathodecomputer simulationdiffusion limitations in support grainscalculations of overall characteristicsReferencesBorup R., Meyers J., Pivovar B., Kim Y.S., Mukundan R., Garland N., Myers D., Wilson M., Garzon F., Wood D., Zelenay P., More K., Stroh K., Zawodzinski T., Boncella J., McGrath J.E., Inaba M., Miyatake K., Hori M., Ota K., Ogumi Z., Miyata S., Nishikata A., Siroma Z., Uchimoto Y., Yasuda K., Kimijima K., Iwashita N. // Chemical Reviews. 2007. Vol. 107. P. 3904.Borup R., Meyers J., Pivovar B., Kim Y.S., Mukundan R., Garland N., Myers D., Wilson M., Garzon F., Wood D., Zelenay P., More K., Stroh K., Zawodzinski T., Boncella J., McGrath J.E., Inaba M., Miyatake K., Hori M., Ota K., Ogumi Z., Miyata S., Nishikata A., Siroma Z., Uchimoto Y., Yasuda K., Kimijima K., Iwashita N. // Chemical Reviews. 2007. Vol. 107. P. 3904.Yousfi-Steiner N., Mocoteguy Ph., Candusso D., Hissel D., Hernandez A., Aslanides A. // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 183. P. 260.Yousfi-Steiner N., Mocoteguy Ph., Candusso D., Hissel D., Hernandez A., Aslanides A. // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 183. P. 260.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. // 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., Abouatallah R., Mazza A. // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 178. P. 103.Jiao K., Li X. // Progress in Energy and Combustion Science. 2011. Vol. 37. P. 221.Jiao K., Li X. // Progress in Energy and Combustion Science. 2011. Vol. 37. P. 221.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.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.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.Mukheijee P.P., Wang C.Y. // J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153. P. A840.Mukheijee P.P., Wang C.Y. // J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153. P. A840.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. // 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. 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. // Электрохимия. 2004. Т. 40. С. 1036. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2004. Vol. 40. P. 898.]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2004. Т. 40. С. 1036. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2004. Vol. 40. P. 898.]Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. М.: Эдиториал УРСС, 2011.Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. М.: Эдиториал УРСС, 2011.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2012. Т. 48. С. 1192. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2012. Vol. 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. Vol. 48. P. 1086.]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 9.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 9.Чирков Ю.Г. // Электрохимия. 1999. Т. 35. С. 1449. [Chirkov Yu.G. // Russ. J. Electrochem. 1999. Vol. 35. P. 1281.]Чирков Ю.Г. // Электрохимия. 1999. Т. 35. С. 1449. [Chirkov Yu.G. // Russ. J. Electrochem. 1999. Vol. 35. P. 1281.]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И., Скундин А.М. // Электрохимия. 2011. Т. 47 (1). С. 77-89. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I., Skundin A.M. // Russ. J. Electrochem. 2011. Vol. 47. P. 71.]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И., Скундин А.М. // Электрохимия. 2011. Т. 47 (1). С. 77-89. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I., Skundin A.M. // Russ. J. Electrochem. 2011. Vol. 47. P. 71.]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2006. Т. 42. С. 799. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. Vol. 42. P. 715.]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2006. Т. 42. С. 799. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. Vol. 42. P. 715.]Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O.'M. // J. Phys. Chem. 1966. Vol. 45. P. 4057.Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O.'M. // J. Phys. Chem. 1966. Vol. 45. P. 4057.Sepa D.B., Vojnovic V., Damjanovic A. // Electrochim. Acta. 1981. Vol. 26. P. 781.Sepa D.B., Vojnovic V., Damjanovic A. // Electrochim. Acta. 1981. Vol. 26. P. 781.Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby J. // Electrochem. Soc. 1992. Vol. 139. P. 2530.Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby J. // Electrochem. Soc. 1992. Vol. 139. P. 2530.Antoine O., Bultel Y., Durand R. // J. Electroanalyt. Chem. 2001. Vol. 499. P. 85.Antoine O., Bultel Y., Durand R. // J. Electroanalyt. Chem. 2001. Vol. 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. Vol. 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. Vol. 42. P. 722.]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2014. № 6. С. 8-15.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2014. № 6. С. 8-15.Чизмаджев Ю.А., Маркин В.С., Тарасевич М.Р., Чирков Ю.Г. // Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы). М.: Наука, 1971.Чизмаджев Ю.А., Маркин В.С., Тарасевич М.Р., Чирков Ю.Г. // Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы). М.: Наука, 1971.Chizmadzhev Yu.A., Chirkov Yu.G. // Comprehensive Treatise of Electrochemistry / Eds. Yeager E., Bockris J.O'M., Conway B.E., Sarangapani S. N.Y., L.: Plenum Press, 1983. Vol. 6. P. 356.Chizmadzhev Yu.A., Chirkov Yu.G. // Comprehensive Treatise of Electrochemistry / Eds. Yeager E., Bockris J.O'M., Conway B.E., Sarangapani S. N.Y., L.: Plenum Press, 1983. Vol. 6. P. 356.

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