АКТИВНЫЙ СЛОЙ КАТОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЛАГООБМЕНА В ЗЕРНАХ ПОДЛОЖКИ

В активном слое катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом процесс генерации тока совершается в зернах подложки (агломераты углеродных частиц, на поверхность которых нанесена платина). Скорость этого процесса существенным образом зависит от степени заполнения пор зерен подложки водой. Расчеты показывают, что плотность габаритного тока активного слоя катода с зернами подложки, поры которых полностью затоплены водой, во много раз 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 и фильтрации превышает скорость процесса затопления пор зерен подложки водой в результате генерации тока. В данном исследовании (оно велось методом компьютерного моделирования) представлен конкретный пример расчетов плотность габаритного тока активного слоя катода в потенциостатическом режиме при варьировании скорости процесса фильтрации воды в зернах подложки.

1. 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., 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.

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. 260–274.

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 assembly // Electrochimica Acta. 2008. Vol. 53. P. 7668– 7674.

5. 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.

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 Combustion Science. 2011. Vol. 37. P. 221–291.

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: fundamentals and applications / Ed. Zhang J. Springer Verlag London Limited, 2008.

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–A113.

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–A849.

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. 699–711.

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. 712–723.

15. Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Активный слой катода топливного элемента с полимерным электролитом: природа каналов подачи протонов и кислорода // Электрохимия. 2012. Т. 48. С. 1192–1204 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2012. Vol. 48. P. 1086.]

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. 968–982 [Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. // Russ. J. Electrochem. 2014. V. 50 (9). P. 872]

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. Пористые электроды в электрохимических технологиях: компьютерное моделирование // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 9. С. 8–21.

19. Чирков Ю.Г. Пористые электроды в электро-химических технологиях: компьютерное моделирование // 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. Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом: как можно увеличить величину габаритного тока, регулируя влагообмен в зернах подложки // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2015. № 4. С. 46–57.

23. Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом: связь величины габаритного тока с температурой активного слоя» // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2015. № 23. С. 105–115.

24. 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.

25. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М.: Наука, 1977.

26. Теоретические основы инженерной геологии. Механико-математические основы. М.: Недра, 1986.

27. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: МГУ, 1995.

28. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Физика почвы. М.: Наука, 1967.

29. Амаглобели И.П. Фильтрация неньютоновских жидкостей через грунты и бетоны. Статья в книге Фильтрация воды через бетон, бетонные конструкции и сооружения. Л.: Энергия. 1971.

30. Бондаренко В.Ф. Физика движения поземных вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

31. Физика почвенных вод. М.: Наука, 1981.

32. 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. // Russ. J. Electrochem. 2006. Vol. 42 (9). P. 722.].