بررسي پارامتري جامع لايه كاتاليست كاتدي پيل سوختي غشا تبادل پروتون بر اساس ساختار كلوخه‌اي

Comprehensive Parametric Study of Cathode Catalyst Layer of PEM Fuel Cell Based Agglomerate Model

لايه كاتاليست اغلب نازك‌ترين لايه در پيل سوختي است، اما به خاطر چند فازي، تخلخل و واكنش‌هاي الكتروشيميايي پيچيده‌ترين قسمت است. عملكرد پيل سوختي غشا تبادل پروتون شديداً متاثر از عملكرد لايه كاتاليست كاتد است. در اين تحقيق يك مدل يك‌بعدي، دما ثابت و پايا با ساختار كلوخه‌اي براي لايه كاتاليست كاتد در نظر گرفته‌شده و توسعه‌يافته است. پس از نوشتن معادلات حاكم لايه كاتاليست، معادلات ديفرانسيلي براي متغيرهاي مستقل دانسيته جريان، غلظت اكسيژن و افت فعال‌سازي حاصل‌شده كه به همراه شرايط مرزي مربوطه يك دستگاه معادلات ديفرانسيل معمولي مرتبه اول غيرخطي را تشكيل مي‌دهند. دستگاه معادلات با كد نويسي در نرم‌افزار Matlab نسخه 2011، به‌وسيله روش پرتابي و توابع مسيله مقدار مرزي حل‌شده‌ است. پس از اعتبار سنجي مدل با نتايج تيوري و تجربي، مطالعه پارامتري جامعي از اثر چهارده پارامتر شامل پارامترهاي عملياتي دما، فشار و اشباع آب و پارامترهاي ساختاري لايه كاتاليست مانند مقدار پلاتين، جز حجمي يونومر، تخلخل و ضخامت لايه كاتاليست، شعاع و تخلخل كلوخه و غيره بر عملكرد پيل سوختي انجام‌شده است. مشخص شد كه پارامترهاي اشباع آب، شعاع كلوخه و جز حجمي يونومر بيشترين تاثير را بر عملكرد لايه كاتاليست دارند.

The catalyst layer is often the thinnest layer in the fuel cell, but is often the most complex part due to multiple phases, porosity, and electrochemical reactions. The performance of proton exchange membrane (PEM) fuel cell is strongly affected by the cathode catalyst layer performance. In this study, a steady state isothermal one-dimensional agglomerate model is considered and developed for the cathode catalyst layer. After writing the governing equations for the catalyst layer, differential equations for independent variables of current density, oxygen concentration and activation overpotential obtained that form a coupled system of first-order nonlinear ordinary differential equations (ODE’s) with the related boundary conditions. Then coupled system of ODE’s is solved through coding in Matlab software version 2011, using a shooting method, boundary value problem (BPV). After validating the model against experimental and theoretical results, a comprehensive parametric study is performed on the effects of fourteen parameters including operational parameters namely temperature, pressure and saturation liquid water, and structural parameters such as platinum loading, ionomer volume fraction, porosity and thickness of catalyst layer, radius and porosity of agglomerate and etc. on the catalyst layer performance. It was found that saturation liquid water, ionomer volume fraction and agglomerate radius have the greatest effect on the performance