بهینه‌سازی لایه‌ی کاتالیست کاتدی در پیل‌های سوختی غشای تبادل پروتون

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشکده مهندسی شیمی، صندوق پستی 13114 ـ 16846

2 تهران، دانشگاه علم و صنعت ایران، پژوهشکده سبز، آزمایشگاه پیل سوختی، صندوق پستی 13114 ـ 16846

چکیده

واکنش احیای اکسیژن در سمت کاتد پیل‌های سوختنی غشا تبادل پروتون واکنشی کند است و بیش‌ تر تلفات به این بخش از پیل مربوط می‌شود. به علت فرایندهای محدودکننده بسیاری که در این لایه واکنش رخ می‎دهد، مدل کردن این لایه اهمیت به‌ سزایی دارد. مدل ارایه شده مدلی دوبعدی ـ دوفازی است که در آن کانال عبوری جریان، لایه‌ی نفوذ گازی، لایه‌ی ماکروحفره‌ ها و لایه‌ی کاتالیست مدنظر قرار گرفته است. غلظت اجزای گازی، درصد اشباع آب مایع در طول کاتد و پتانسیل محلی یونومر در لایه‌ی کاتالیست با استفاده از حل معادله ‌های مربوطه توسط نرم‌افزار متلب (Matlab) در تمام نقاط محاسبه شده است. پس از مقایسه‌ی نتیجه‌ های به دست آمده از مدل و داده‌های آزمایشگاهی، تأثیر پارامترهای طراحی شامل میزان بارگذاری پلاتین، ضخامت لایه کاتالیست و کسر وزنی یونومر، برای رسیدن به بیش‌ ترین جریان تولیدی بررسی شد. در ولتاژهای بالا مقدارهای بهینه برای میزان بارگذاری پلاتین، ضخامت لایه کاتالیست و کسر وزنی یونومر به ترتیب mg/cm2 9/0, µm 15 و 55% و در ولتاژهای پایین مقدارها به ترتیب mg/cm25/0,µm 30 و 45% وزنی گزارش شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Khajeh-Hosseini-Dalasm N., Fesanghar M., Fushinobu K., Okazak K.i, A Study of the Agglomerate Catalyst Layer for the Cathode Side of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell: Modeling and Optimization, J. Electrochimica Acta, 60: 55-65 (2012).

[2] Sui P.C., Chen L.D., Seaba J.P., Wariishi Y., Modeling and Optimization of a PEMFC Catalyst Layer, In: "SAE Congress", 1999-01-0539, pp. 61-70 (1999).

[3] QianpuWanga, Datong Song, Titichai Navessin, Steven Holdcroft, Zhongsheng Liu, A Mathematical Model and Optimization of the Cathode Catalyst Layer Structure in PEM Fuel Cells, J. Electrochimica Acta, 50: 725-730 (2004).

[4] Datong Song, Qianpu Wang, Zhongsheng Liu, Titichai Navessin, Michael Eikerling, Steven Holdcroft, Numerical Optimization Study of the Catalyst Layer of PEM Fuel Cell Cathode, J. Power Sources, 126: 104–111 (2004).

[5] Hung-Hsiang Lin, Chin-Hsiang Cheng, Chyi-Yeou Soong, Falin Chen, Wei-Mon Yan, Optimization of Key Parameters in the Proton Exchange Membrane Fuel Cell, J. Power Sources, 162: 246-254 (2006).

[6] Madhusudana Rao R., Rengswamay R., Optimization Study of an Agglomerate Model for Platinum Reduction and Performance in PEM Fuel Cell Cathode, J. Chemical Engineering Research and Design, 84(A10): 952-964.

[7] R. Madhusudana Rao, D. Bhattacharyya, R. Rengaswamy, S.R. Choudhury, A Two-Dimensional Steady State Model Including the Effect of Liquid Water for a PEM Fuel Cell Cathode, J. Power Sources, 173: 375-393 (2007).

[8] Weisbrod K.R., Grot S.A., Vanderborgh N.E., Through the Electrode Model of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell, In: "Proceedings of the First International Symposium on Proton Conducting Membrane Fuel Cells", S. Gottesfeld editor, New Jersey,
The Electrochemical Society Proceedings, 95-23: 152-66 (1995).

[9] Srinivasarao M., Bhattacharyya D., Rengaswamyc D. R., Narasimhan S., Parametric Study of the Cathode and the Role of Liquid Saturation on the Performance of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell-A numerical Approach, J. Power Sources, 195: 6782-6794 (2010).