alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейсalternative-528Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYПроцесс затопления водой активного слоя катода топливного элемента с твердым полимерным электролитомActive layer cathode of fuel cell with polymer electrolyte: the flooding process in support grainsЧирковЮ. Г.ChirkovYu. G.olga.nedelina@gmail.comРостокинВ. И.RostokinV. I.viktor.rostockin@yandex.ruИнститут физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАНРоссияA.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and ElectrochemistryRussian FederationНациональный исследовательский ядерный университет (МИФИ)РоссияNational Research Nuclear University (MEPhY)Russian Federation201423062016145868Copyright © 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/528

Проведено полное компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом. Моделировались не только транспортная структура активного слоя, но также 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. Изучен процесс постепенного затопления водой газовых пор в зернах подложки. Продемонстрировано, что полное затопление газовых пор зерен подложки способно привести к резкому снижению величин габаритных токов.

This paper presents a computer simulation the active layer cathode of a fuel cell with polymer electrolyte. We simulate both (1) the transport structure 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 gradual flooding process in pores of support grains. The investigation demonstrates that full flooding gas pores of support grains leads to a sharp decrease of overall current.

катод топливного элемента с полимерным электролитомактивный слойкомпьютерное моделированиеучет омических и диффузионных ограничений в зернах подложкипроцесс затопления активного слоярасчет габаритных токов катодаcathode of fuel cell with polymer electrolyteactive layercomputer simulationohmic and diffusion limitations in support grainsflooding process in active layercalculation of cathode overall currentsReferencesЧирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: учет процесса диффузии кислорода в зернах подложки» // Альтернативная энергетика и экология. 2014, №6, С.8-15.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: учет процесса диффузии кислорода в зернах подложки» // Альтернативная энергетика и экология. 2014, №6, С.8-15.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: о факторах, тормозящих полноценное протекание процесса генерации тока» // Альтернативная энергетика и экология. 2014, № 9, С.8-20.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: о факторах, тормозящих полноценное протекание процесса генерации тока» // Альтернативная энергетика и экология. 2014, № 9, С.8-20.Чизмаджев Ю.А., Маркин В.С., Тарасевич М.Р., Чирков Ю.Г. Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы). М.: Наука, 1971. 363 с.Чизмаджев Ю.А., Маркин В.С., Тарасевич М.Р., Чирков Ю.Г. Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы). М.: Наука, 1971. 363 с.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. V. 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. V. 6. P. 356.M.A. Rubio, A. Urquia, S. Dormido. Diagnosis of PEM fuel cells through current interruption // Journal of Power Sources 171 (2007) 670-677.M.A. Rubio, A. Urquia, S. Dormido. Diagnosis of PEM fuel cells through current interruption // Journal of Power Sources 171 (2007) 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. V. 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. A review of water flooding issues in the proton exchange membrane fuel cell // Journal of Power Sources. 2008. V. 178. P. 103.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. V. 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. V. 183. P. 260.A.Z. Weber, M.A. Hickner. Modeling and high-resolution-imaging studies of water-content profiles in a polymer-electrolyte-fuel-cell membrane-electrode assembly // Electrochimica Acta 53 (2008) 7668-7674.A.Z. Weber, M.A. Hickner. Modeling and high-resolution-imaging studies of water-content profiles in a polymer-electrolyte-fuel-cell membrane-electrode assembly // Electrochimica Acta 53 (2008) 7668-7674.Tushar Swamy, E. C. Kumbur, and M. M. Mench. Characterization of Interfacial Structure in PEFCs: Water Storage and Contact Resistance Model// Journal of The Electrochemical Society 157(1) B77-B85 (2010).Tushar Swamy, E. C. Kumbur, and M. M. Mench. Characterization of Interfacial Structure in PEFCs: Water Storage and Contact Resistance Model// Journal of The Electrochemical Society 157(1) B77-B85 (2010).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 157(4) B496-B505 (2010).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 157(4) B496-B505 (2010).M.A. Rubio, A. Urquia, S. Dormido. Diagnosis of performance degradation phenomena in PEM fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 2586-2590.M.A. Rubio, A. Urquia, S. Dormido. Diagnosis of performance degradation phenomena in PEM fuel cells // International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) 2586-2590.Jiao K., Li X. Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells // Progress in Energy and Combustion Science. 2011. V. 37. P. 221.Jiao K., Li X. Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells // Progress in Energy and Combustion Science. 2011. V. 37. P. 221.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 51 (2012) 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 interdigitated flowfields // International Journal of Thermal Sciences 51 (2012) 132-144.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: формирование полноценных зерен углеродной подложки, расчет габаритных характеристик» // Альтернативная энергетика и экология. 2012, №2, С.132-145.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: формирование полноценных зерен углеродной подложки, расчет габаритных характеристик» // Альтернативная энергетика и экология. 2012, №2, С.132-145.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Активный слой катода топливного элемента с полимерным электролитом: моделирование структуры зерен углеродной подложки» // Электрохимия. 2013. Т.49 (2). С.165-177. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2013. V. 49. P. 149-160]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Активный слой катода топливного элемента с полимерным электролитом: моделирование структуры зерен углеродной подложки» // Электрохимия. 2013. Т.49 (2). С.165-177. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2013. V. 49. P. 149-160]Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Катод топливного элемента с твердым полимерным электролитом: конструирование оптимальной структуры активного слоя» // Электрохимия, 2014. V.50. №9.Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Катод топливного элемента с твердым полимерным электролитом: конструирование оптимальной структуры активного слоя» // Электрохимия, 2014. V.50. №9.Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O'M. Distinction between Intermediates Produced in Main and Side Electrodic Reactions // J. Phys. Chem. 1966. V. 45. P. 4057.Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O'M. Distinction between Intermediates Produced in Main and Side Electrodic Reactions // J. Phys. Chem. 1966. V. 45. P. 4057.Sepa D.B., Vojnovic V., Damjanovic A. Reaction intermediates as a controlling factor in the kinetics and mechanism of oxygen reduction at platinum electrodes // Electrochim. Acta. 1981. V. 26. P. 781.Sepa D.B., Vojnovic V., Damjanovic A. Reaction intermediates as a controlling factor in the kinetics and mechanism of oxygen reduction at platinum electrodes // Electrochim. Acta. 1981. V. 26. P. 781.Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby J. Temperature dependence of the electrode kinetics of oxygen reduction at the platinum/Nafion interface - a microelectrode investigation // Electrochem. Soc. 1992. V. 139. P. 2530.Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby J. Temperature dependence of the electrode kinetics of oxygen reduction at the platinum/Nafion interface - a microelectrode investigation // Electrochem. Soc. 1992. V. 139. P. 2530.Antoine O., Bultel Y., Durand R. Oxygen reduction reaction kinetics and mechanism on platinum nanoparticles inside Nafion // J. Electroanalyt. Chem. 2001. V. 499. P. 85.Antoine O., Bultel Y., Durand R. Oxygen reduction reaction kinetics and mechanism on platinum nanoparticles inside Nafion // J. Electroanalyt. Chem. 2001. V. 499. P. 85.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. С.806Чирков 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. С.806

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