Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНОГО СЛОЯ КАТОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: КАК МОЖНО УВЕЛИЧИТЬ ГАБАРИТНЫЙ ТОК, РЕГУЛИРУЯ ВЛАГОБМЕН В ЗЕРНАХ ПОДЛОЖКИ

https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.04.003

Полный текст:

Аннотация

В активном слое катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом процесс генерации тока совершается в зернах подложки. Скорость этого процесса существенным образом зависит от степени заполнения пор зерен подложки водой. Расчеты показывают, что габаритный ток активного слоя катода с зернами подложки, поры которых полностью затоплены водой, намного 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 превышает скорость затопления пор в результате генерации тока. Чтобы увеличить габаритный ток активного слоя катода необходимо поднять степень его разогрева (добиться большего превышения температуры активного слоя Ts над температурой Т, при которой функционирует топливный элемент). В данном исследовании (оно велось методом компьютерного моделирования) представлен конкретный пример расчетов габаритного тока активного слоя катода. Показано, что при полном затоплении пор зерен подложки водой габаритный ток I = 0,223 А/см2, если же объем пор в зернах подложки заполнен водой примерно на 10 процентов, то I = 1,151 A/см2.

Об авторах

Ю. Г. Чирков
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Россия
д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии РАН


В. И. Ростокин
Национальный исследовательский ядерный университет (МИФИ)
Россия
канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Общая физика» НИЯУ (МИФИ)


Список литературы

1. 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.

2. Li H., Tang Y., Wang Z., Shi Z., Wu S., Song D., Zhang J., Fatih K., Zhang J., Wang X., Liu Z., Abouatal-lah 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.

3. 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.

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

5. 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. 2010. Vol. 157(1). P. B77-B85.

6. 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.

7. 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.

8. Jiao K., Li X. Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells // Progress in Energy and Com-bustion Science. 2011. Vol. 37. P. 221.

9. 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.

10. PEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers: fun¬damentals and applications / Ed. Zhang J. Springer¬ Verlag London Limited, 2008. 1137 p.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: о факторах, тормозящих полноценное протекание процесса гене-рации тока // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 9. С. 8–21.

19. Чирков Ю.Г. Пористые электроды в электро-химических технологиях: компьютерное моделиро-вание // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 9. С. 55–59.

20. 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

21. 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.

22. 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.

23. 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. [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2006. Vol. 42 (9). P. 722]


Для цитирования:


Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНОГО СЛОЯ КАТОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: КАК МОЖНО УВЕЛИЧИТЬ ГАБАРИТНЫЙ ТОК, РЕГУЛИРУЯ ВЛАГОБМЕН В ЗЕРНАХ ПОДЛОЖКИ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2015;(4):46-57. https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.04.003

For citation:


Chirkov Y.G., Rostokin V.I. COMPUTER SIMULATION OF ACTIVE LAYER FUEL CELL WITH POLYMER ELECTROLYTE: HOW DEGREE FILLING OF SUPPORT GRAIN BY WATER INFLUENCES ON OVERALL CURRENT. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2015;(4):46-57. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.04.003

Просмотров: 174


ISSN 1608-8298 (Print)