Buy (120 RUB)
Generate QR code
Open Access
Subscription or Fee Access
Active layer cathode of fuel cell with polymer electrolyte: the flooding process in support grains
Abstract
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.
Keywords
катод топливного элемента с полимерным электролитом,
активный слой,
компьютерное моделирование,
учет омических и диффузионных ограничений в зернах подложки,
процесс затопления активного слоя,
расчет габаритных токов катода,
cathode of fuel cell with polymer electrolyte,
active layer,
computer simulation,
ohmic and diffusion limitations in support grains,
flooding process in active layer,
calculation of cathode overall currents
About the Authors
Yu. G. Chirkov
A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry
Russian Federation
Russian Federation
V. I. Rostokin
National Research Nuclear University (MEPhY)
Russian Federation
Russian Federation
References
1. 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.
2. 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.
3. Чизмаджев Ю.А., Маркин В.С., Тарасевич М.Р., Чирков Ю.Г. Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы). М.: Наука, 1971. 363 с.
4. 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.
5. M.A. Rubio, A. Urquia, S. Dormido. Diagnosis of PEM fuel cells through current interruption // Journal of Power Sources 171 (2007) 670-677.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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).
10. 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).
11. 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.
12. Jiao K., Li X. Water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells // Progress in Energy and Combustion Science. 2011. V. 37. P. 221.
13. 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.
14. 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.
15. 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]
16. Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. «Катод топливного элемента с твердым полимерным электролитом: конструирование оптимальной структуры активного слоя» // Электрохимия, 2014. V.50. №9.
17. 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.
18. 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.
19. 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.
20. 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.
21. 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.806
Review
For citations:
Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Active layer cathode of fuel cell with polymer electrolyte: the flooding process in support grains. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2014;(14):58-68. (In Russ.)
Views:
378
Email this article 