КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНОГО СЛОЯ КАТОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ ТРАНЗИЕНТА ГАБАРИТНОГО ТОКА

摘要

Проведено полное компьютерное моделирование структуры и процессов генерации тока активного слоя катода топливного элемента с твердым полимерным электролитом. Моделировались не только транспортная структура активного слоя, но также структура зерен подложки (агломераты углеродных частиц, на поверхность которых нанесена платина). Изучался процесс функционирования активного слоя в потенциостатическом режиме. Впервые продемонстрировано, как влагообмен в порах зерен подложки влияет на габаритные характеристики катода. Численными методами рассчитано изменение во времени габаритного тока, средней температуры активного слоя и суммарной степени затопления в активном слое пор зерен подложки водой. Показано, что при напряжении топливного элемента 0.6 В и температуре функционирования топливного элемента 80°С процесс затопления доминирует над процессом осушения пор зерен подложки. Через 10—15 с все поры зерен подложки оказываются полностью заполненными водой. И они начинают генерировать ток уже не в кинетическом (в момент включения тока наблюдался кнудсеновский режим диффузии кислорода в зернах подложки), а во внутридиффузионном режиме. В результате габаритный ток катода уменьшается от начального значения 4.323 А/см~2 до конечной величины 0.526 А/см~2, а температура активного слоя снижается от начального значения 102°С до конечного 82.5°С. Транзиенг габаритного тока исследовался также экспериментально, показано качественное совпадение теоретических и экспериментальных данных.