Компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом: полноценные комбинированные зерна углеродной подложки, расчет габаритных характеристик

ЖУРНАЛ:


ЭЛЕКТРОХИМИЯ
Издательство: Академический научно-издательский, производственно-полиграфический и книгораспространительский центр Российской академии наук "Издательство "Наука" (Москва)
ISSN: 0424-8570

АННОТАЦИЯ:


Проведено полное компьютерное моделирование активного слоя катода топливного элемента с полимерным электролитом и полноценными комбинированными зернами углеродной подложки. Структура активного слоя включала два типа равновеликих кубических зерен (комбинированных зерен подложки и пустот), образующих в совокупности кубическую решетку. Моделировалась и структура комбинированных зерен, в них был сформирован углеродный кластер, на поверхности которого протекал процесс восстановления кислорода, весь остальной объем зерен был заполнен полимерным электролитом. Полноценность зерен заключалась в том, что они обладали электронной проводимостью по трем координатам, способностью принимать участие в транспорте в активном слое протонов, а углеродный кластер в зернах имел максимально возможную поверхность. Расчет габаритных токов кислородных катодов с полноценными комбинированными зернами углеродной подложки, нафионом и платиной дал такой результат. При t = 80°С, давлении p* = 101 кПа, потенциале катода E0 = 0.8 В и оптимальной толщине активного слоя * = 20 мкм максимальный габаритный ток Imax = 0.38 А/см2, максимальная удельная мощность Wmax = 0.31 Вт/см2. При потенциале Е0 = 0.7 В * = 9.8 мкм, Imax = 1.13 А/см2, Wmax = 0.79 Вт/см2. При потенциале Е0 = 0.6 В * = 3.8 мкм, Imax= 2.95 А/см2, Wmax = 1.76 Вт/см2. При потенциале Е0 = 0.5 В * = 1.4 мкм, Imax = 7.71 А/см2, Wmax= 3.86 Вт/см2. Величины габаритных токов больше того, что при данных потенциалах катода наблюдается в экспериментах. Расхождение объясняется тем, что проводились расчеты активных слоев катодов фактически с регулярной структурой. Все комбинированные зерна подложки в них полноценны и идентичны, в реальности же структура активных слоев свойствами полноценности и идентичности не обладает. Второе обстоятельство – в экспериментах редко работают с активными слоями строго оптимальной толщины. Отклонение же от оптимума чревато потерями в токе. Переход к катодам с комбинированными зернами имеет дополнительные достоинства. 1. В таких зернах вся платина принимает участие в генерации тока, степень утилизации катализатора достигает 100%. 2. Кислород может поступать в активный слой не по мелким кнудсеновским, а уже по крупным (с диаметром сотни и более нм) газовым порам, в которых имеет место обычная молекулярная диффузия газа, поэтому диффузионные ограничения в активном слое становятся не столь значительными. 3. В активном слое уменьшается опасность затопления газовых пор выделяющейся влагой. Водяные пары теперь гораздо легче удалять из крупных газовых пор, направляя их в поры газодиффузионного слоя.