Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: о факторах, тормозящих полноценное протекание процесса генерации тока

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.

компьютерное моделирование, катод топливного элемента с полимерным электролитом, активный слой, учет диффузионных ограничений в зернах подложки, расчет габаритных характеристик, fuel cell with polymer electrolyte, active layer of cathode, computer simulation, diffusion limitations in support grains, calculations of overall characteristics

1. 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.

2. Yousfi-Steiner N., Mocoteguy Ph., Candusso D., Hissel D., Hernandez A., Aslanides A. // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 183. P. 260.

3. 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.

4. Jiao K., Li X. // Progress in Energy and Combustion Science. 2011. Vol. 37. P. 221.

5. PEM fuel cell electrocatalysts and catalyst layers: fundamentals and applications / Ed. Zhang J. Springer Verlag London Limited, 2008.

6. 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.

7. Mukheijee P.P., Wang C.Y. // J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153. P. A840.

8. Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. Vol. 175. P. 699.

9. Rong F., Huang C., Liu Z.OS., Song D., Wang Q. // J. Power Sources. 2008. Vol. 175. P. 712.

10. 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.]

11. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. М.: Эдиториал УРСС, 2011.

12. 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.]

13. Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Электрохимия. 2014. Т. 50. № 9.

14. Чирков Ю.Г. // Электрохимия. 1999. Т. 35. С. 1449. [Chirkov Yu.G. // Russ. J. Electrochem. 1999. Vol. 35. P. 1281.]

15. 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.]

16. 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.]

17. Damjanovic A., Genshaw M.A., Bockris J.O.'M. // J. Phys. Chem. 1966. Vol. 45. P. 4057.

18. Sepa D.B., Vojnovic V., Damjanovic A. // Electrochim. Acta. 1981. Vol. 26. P. 781.

19. Parthasarathy A., Srinivasan S., Appleby J. // Electrochem. Soc. 1992. Vol. 139. P. 2530.

20. Antoine O., Bultel Y., Durand R. // J. Electroanalyt. Chem. 2001. Vol. 499. P. 85.

21. 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.]

22. Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2014. № 6. С. 8-15.

23. Чизмаджев Ю.А., Маркин В.С., Тарасевич М.Р., Чирков Ю.Г. // Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы). М.: Наука, 1971.

24. 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.