بررسي ساختاري مدل توده اي كاتاليست كاتد و مقايسه آن با مدل هموژن در پيل سوختي پليمري

Structural study of agglomerate model of the cathode catalyst layer and comparison with the homogeneous model in the PEM fuel cell

كاتاليست يكي از اجزاي مهم پيل‌سوختي است كه مدل‌سازي و بهينه‌سازي آن تاًثير قابل ملاحظه‌اي بر روي عملكرد و قيمت پيل سوختي پليمري دارد. علي رغم موفقيت‌هايي كه در دو دهه گذشته در جهت افزايش عملكرد پيل سوختي بدست آمده است ولي هنوز واكنش كند اكسيژن در لايه كاتاليست كاتد و محدوديت هاي انتقال جرم از عوامل اصلي كاهش راندمان و عملكرد پيل سوختي پليمري محسوب مي‌شوند. هدف از اين مقاله مدل سازي لايه كاتاليست كاتد پيل سوختي پليمري به دو صورت هموژن و توده اي و مقايسه آن ها با هم است. معادلات حاكم شامل معادله نفوذ اكسيژن، معادله نرخ انجام واكنش هاي الكتروشيميايي، معادلات انتقال پروتون و الكترون و معادلات كمكي هستند كه توسط نرم افزار متلب حل شده و با داده هاي آزمايشگاهي و عددي موجود در مقالات اعتبارسنجي شده اند. نتايج نشان مي دهند كه در يك ضريب تخلخل ثابت، با افزايش شعاع توده ها و ضخامت يونيمر اطراف آن ها ، افت فعال سازي افزايش و غلظت اكسيژن در محل هاي واكنش كاهش مي يابند كه اين منجر به افت منحني عملكرد پيل سوختي مي‌شود. همچنين با كاهش هرچه بيشتر شعاع توده ها ساختار مدل توده اي بسمت مدل هموژن ميل كرده و منحني عملكرد پيل سوختي بر مبناي مدل توده اي به سمت منحني عملكرد پيل سوختي بر مبناي مدل هموژن ميل مي كند.

Catalyst layer is one of the important components of PEM fuel cell that its modeling and optimization can have a significant effect on the performance and the price of fuel cell. Despite successes were obtained to improve the fuel cell performance but still the slow reaction of oxygen in the cathode catalyst layer and mass transfer limitations are the main factors that reduce the efficiency and the performance of PEM fuel cell. The aim of this paper is modeling the cathode catalyst layer with homogeneous and agglomerate models and comparison with together. The governing equations are including oxygen diffusion equation, electrochemical reaction rate equation, transport equations of protons and electrons and auxiliary equations that solved by Matlab software and validated with experimental and numerical data available in the literature. The results show that at constant porosity, with increasing the agglomerate radius and thickness of ionomer film around agglomerate, the activation loss is increased and the concentration is reduced therefore the fuel cell performance is reduced. By more decreasing the radius of agglomerate, the fuel cell performance curve base on the agglomerate model approach to the performance curve base on the homogenous model.