КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
COMPUTER SIMULATION OF FUEL CELL OPERATION
Статья поступила в редакцию 22.01.15. Ред. per. № 2187
The article has entered in publishing office 22.01.15. Ed. reg. No. 2187
УДК 541.136
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНОГО СЛОЯ КАТОДА
ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: КАК МОЖНО УВЕЛИЧИТЬ ГАБАРИТНЫЙ ТОК, РЕГУЛИРУЯ ВЛАГОБМЕН В ЗЕРНАХ ПОДЛОЖКИ
1 2* Ю.Г. Чирков , В.И. Ростокин
1Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН 119071 Москва, Ленинский пр., д. 31, корп. 4 тел.: +7(495) 955-40-31; факс: 8 (495) 952-08-46; e-mail: olga.nedelina@gmail.com 2 Национальный исследовательский ядерный университет (МИФИ) 115409 Москва, Каширское шоссе, д. 31 e-mail: viktor.rostockin@yandex.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.04.003
Заключение совета рецензентов: 29.01.15 Заключение совета экспертов: 05.02.15 Принято к публикации: 12.02.15
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.
Ключевые слова: активный слой катода топливного элемента с полимерным электролитом, компьютерное моделирование, потенциостатический режим генерации тока, процессы затопления и осушения пор зерен подложки, явление разогрева активного слоя, расчет габаритных характеристик.
COMPUTER SIMULATION OF ACTIVE LAYER FUEL CELL WITH POLYMER ELECTROLYTE: HOW DEGREE FILLING OF SUPPORT GRAIN BY WATER INFLUENCES ON OVERALL CURRENT
1 2 Yu.G. Chirkov , V.I. Rostokin
'A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS 31/5 Leninskiy Ave., Moscow, 119991 Russian Federation ph.: 8 (495) 955-40-31, fax: 8 (495) 952-08-46, e-mail: olga.nedelina@gmail.com 2National Research Nuclear University (MEPhY) 31 Kashirskoe Drive, Moscow, 115409 Russian Federation e-mail: viktor.rostockin@yandex.ru
Referred 29 January 2015 Received in revised form 5 February 2015 Accepted 12 February 2015
In the cathode active layer of a fuel cell with a solid polymer electrolyte, process of current generation takes place in support grains. The speed of this process essentially depends on a degree of support grains pores filling with water.
Calculations show that the overall current value in the cathode active layer with the pores of support grains completely filled with water are much less than with pores partially filled or even without water. The last variant is realized when the rate of moisture evaporation from the pores of the support grains exceeds the rate of flooding them in the current generation process. In order to increase the overall current, a degree of heating-up of the cathode active layer is necessary to increase. It is desirable that the temperature of the active layer Ts as much as possible exceed the temperature T, which the fuel cell operates. In this study by method of computer simulation, a specific example of determining the overall current value in the cathode active layer is presented. It is shown that if the pores of support grains are completely filled with water, then overall current I = 0.223 A/cm2, and if the pores of the support grains are filled with water only about 10 percent then I = 1.151 A/cm2.
Keywords: cathode of fuel cell with polymer electrolyte (PEMFC), active layer, computer simulation, process flooding and draining in support grains, the warming of active layer, calculation of overall currents.
Юрий Георгиевич Чирков Yu. G. Chirkov
Сведения об авторе: д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии РАН.
Область научных интересов: теория пористых электродов в электрохимических технологиях (топливные элементы, литий-ионные аккумуляторы, суперконденсаторы, электролиз воды и хлора и т.д.).
Публикации: 250 статей и обзоров, соавтор монографии «Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы)». М.: Наука, 1971.
Information about the author: Dr. of
Sciences (Chemistry), Leading Researcher, A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS.
Area of researches: theory of porous electrodes in electrochemical technologies (fuel cells, lithium- ion batteries, super capacitors, water electrolysis, and so on).
Publications: 300 articles and reviews, co-author of the monograph "Macro kinetics processes inporous media (Fuel cells)". M.: Nauka, 1971.
ЁгИ
Виктор Иванович Ростокин V.I. Rostokin
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Общая физика» НИЯУ (МИФИ), стаж преподавательской работы 47 лет.
Награды: Ш-я премия Государственного Комитета СССР по народному образованию «За значительные успехи в перестройке содержания учебно-воспитательного процесса, его обновления в свете современных достижений и перспектив развития науки, техники и культуры, создание спецкурсов по направлениям, определяющим научно-технический и социальный прогресс СССР (Постановление Коллегии Госкомитета СССР по народному образованию от 21.06.1991 г. № 10/3)».
Образование: МИФИ (1960) по специальности «Теоретическая ядерная физика».
Область научных интересов: теория пористых электродов в электрохимических технологиях (топливные элементы, литий-ионные аккумуляторы, суперконденсаторы), а также проблемы ядерной и атомной физики.
Публикации: более 100.
Information about the author: Associate Professor of the department "General physics", National Research Nuclear University (ME-Phl), PhD (Physic-Mathematical Sciences), experience of teaching work 47 years.
Awards: third prize of the USSR State Committee on public education "For significant progress in the restructuring of the content of the educational process, it update in light of recent achievements and perspectives of development of science, technology and culture, the creation of special courses for directions, determining technical, scientific and social progress of the USSR (the Resolution of the Collegium of the USSR State Committee for public education at.06.1991, No. 10/3)".
Education: He graduated from the Moscow Engineering Physics Institute in 1960 on the specialty "Theoretical nuclear physics".
Area of researches: theory of porous electrodes in electrochemical technologies (fuel cells, lithium- ion batteries, super capacitors), and problems of nuclear and atomic physics.
Publications: more than 100 articles.
Постановка задачи
Низкотемпературные водородно-кислородные (воздушные) топливные элементы с твердым полимерным электролитом и платиной в качестве катализатора (PEMFC) продолжают оставаться среди основных кандидатов на роль автономной и экологиче-
ски чистой электроэнергии для космических и наземных установок. Наиболее проблемный узел этих топливных элементов - активный слой катода, где идет вяло текущий процесс восстановления кислорода до воды в кислой среде.
Один из важных факторов, влияющих на функционирование и срок службы РЕМБО, - организация
оптимального влагообмена в мембранно-электродном блоке (МЭБ). Эти вопросы подробно анализировались во многих работах [1-9]. К сожалению, детально разбирая процессы влагообмена в МЭБ в целом (в мембране нафиона, в микропористых слоях, в газодиффузионных слоях, в камерах для подачи газов), - обычно мало внимания уделяется влагообмену в активном слое катода, где, собственно, и происходит главное - генерация тока и образование продукта электрохимической реакции - воды.
Многие аспекты механизма генерации тока в активных слоях катодов топливных элементов с на-фионом до сих пор остаются до конца не проясненными. Структура активных слоев катодов с нафио-ном и платиной на углеродных носителях многокомпонентна и крайне сложна (характеризуется 10 параметрами). Провести ее компьютерное моделирование удалось лишь после того, как был проведен большой комплекс исследований по методикам просвечивающей микроскопии: ТЕМ (transmission electron microscopy) и SEM (scanning electron microscopy) [10-14].
В результате этих исследований было установлено, что структура активного слоя двухэтажна. В активном слое катода с нафионом должны быть, прежде всего, созданы каналы для подачи всех участников электрохимического процесса - молекул кислорода, протонов и электронов - и отвода продукта реакции (воды). Все это вместе образует транспортную структуру активного слоя, его, так сказать, первый этаж. Модельно эту структуру можно представить в виде композиции из зерен подложки (агломераты углеродных частиц, на поверхность которых нанесена платина), зерен нафиона (агломераты молекул нафиона) и зерен-пустот. Так возникает модель «равновеликих кубических зерен трех типов» [15]. Введем обозначения. Пусть g - объемная концентрация (доля) в модельном кубе зерен подложки, gl -доля зерен нафиона, ggas - доля, приходящаяся на зерна-пустоты. Очевидно, имеет место соотношение
g + gi + ggas = 1
Второй этаж структуры активного слоя - это зерна подложки, где совершается процесс восстановления кислорода до воды. Модель структуры зерен подложки
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.