АКТИВНЫЙ СЛОИ КАТОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ: ПРИРОДА КАНАЛОВ ПОДАЧИ ПРОТОНОВ И КИСЛОРОДА

摘要

Обсуждается природа каналов подачи протонов и кислорода в активном слое катода топливного элемента с полимерным электролитом. В активном слое имеются три типа переносчиков электронов, протонов и кислорода: агломераты углеродных частиц с высаженной на них платиной (зерна подложки), агломераты молекул нафиона (зерна нафиона) и зерна-пустоты. При проведении компьютерного моделирования структуры активного слоя три типа зерен полагались равновеликими и имеющими форму кубиков, уложенных в кубическую решетку узлов (по терминологии теории пер-коляции). Доказана невозможность сформировать в активном слое с помощью одних лишь трех вышеуказанных типов зерен три перколяционных кластера - "электронный", "протонный" и "газовый", которые могли бы стать поставщиками всего необходимого для осуществления электрохимического процесса. Но в таком случае возникает вопрос, как тогда обеспечивается удовлетворительное функционирование катода с полимерным электролитом? Необходимую подачу протонов и кислорода можно обеспечить, только если зерна подложки способны обладать не одной только электронной проводимостью, но могут также принимать участие в переносе как протонов, так и кислорода. В результате транспорт протонов и кислорода осуществляется с помощью особых комбинированных перколяционных кластеров, в состав которых кроме зерен подложки должны входить либо зерна нафиона (комбинированный "протонный" кластер), либо зерна-пустоты (комбинированный "газовый" кластер). В статье изложена методика расчета эффективной удельной проводимости комбинированного "протонного" кластера. Аналогично может быть произведен расчет и эффективного удельного коэффициента диффузии комбинированного "газового" кластера.