بهينه‌سازي لايه‌ي كاتاليست كاتدي در پيل‌هاي سوختي غشاي تبادل پروتون

Optimization of Cathode Catalyst Layer in PEM Fuel Cells

واكنش احياي اكسيژن در سمت كاتد پيل‌هاي سوختني غشا تبادل پروتون واكنشي كند است و بيشتر تلفات به اين بخش از پيل مربوط مي‌شود. به علت فرايندهاي محدودكننده بسياري كه در اين لايه واكنش رخ مي‎دهد، مدل كردن اين لايه اهميت به سزايي دارد. مدل ارايه شده مدلي دوبعدي ـ دوفازي است كه در آن كانال عبوري جريان، لايه‌ي نفوذ گازي، لايه‌ي ماكروحفره ها و لايه‌ي كاتاليست مدنظر قرار گرفته است. غلظت اجزاي گازي، درصد اشباع آب مايع در طول كاتد و پتانسيل محلي يونومر در لايه‌ي كاتاليست با استفاده از حل معادله هاي مربوطه توسط نرم‌افزار متلب (Matlab) در تمام نقاط محاسبه شده است. پس از مقايسه‌ي نتيجه هاي به دست آمده از مدل و داده‌هاي آزمايشگاهي، تأثير پارامترهاي طراحي شامل ميزان بارگذاري پلاتين، ضخامت لايه كاتاليست و كسر وزني يونومر، براي رسيدن به بيش ترين جريان توليدي بررسي شد. در ولتاژهاي بالا مقدارهاي بهينه براي ميزان بارگذاري پلاتين، ضخامت لايه كاتاليست و كسر وزني يونومر به ترتيب mg/cm^2 0.9, µm 15 و 55% و در ولتاژهاي پايين مقدارها به ترتيب mg/cm^2 0.5,µm 30 و 45% وزني گزارش شد.

Thesluggish of Oxygen Reduction Reaction (ORR) kinetics at the cathode account the majority of the voltage drop in H2PEMFCs. As many limiting processes take place in the reaction layer, it is important to model this layer. In this work, a twodimensional steady state model for a PEM fuel cell cathode is described. All the components in the cathode such as the gas manifold, diffusion layer, microporous layer and the catalyst layer were modeled. Concentrations of gaseous components, liquid water saturation in the cathode catalyst layer and ionomer local potential calculated to solve the equations in MATLAB. After comparing the results of the model and experimental data, the design parameters include platinum loading, catalyst layer thickness and ionomer weight fraction was chosen to achieve maximum current density. The optimal values were 0.9 mg.cm2, 15 µm and 55% for platinum loading, catalyst layer thickness and ionomer weight fraction at high voltage and  0.5 mg.cm2, 30 µm and 45% at low voltage respectively.