پيش بيني زوال لايه كاتاليست كاتد پيل سوختي غشاء پليمري تحت بارگذاري دوره اي

Prediction of degradation in performance of cathode catalyst layer during load cycling

از مهمترين مشكلات موجود بر سر راه تجاري سازي پيل هاي سوختي غشاء پليمري، قيمت و زوال پيل سوختي در اثر اعمال بارگذاري متناوب است. اعمال بارگذاري متناوب نمود استفاده از پيل سوختي به منظور تامين توان براي خودروها مي باشد. مدل جديدي بر اساس مطالعات تجربي موجود براي بررسي كاهش كارايي پيل تحت بارگذاري متناوب ارائه شده است. اين مدل از دو زير-مدل تشكيل شده است: مدل 1، ميزان كاهش سطح فعال الكتروشيميايي را تحت بارگذاري متناوب با استفاده از برقراري شباهتي با آناليز خستگي فولاد و بكار بردن ضرايب تصحيح، محاسبه مي كند. در اين مدل همچنين رسوب استوالد ذرات توده‌اي لايه كاتاليست شبيه سازي شده است. صحت سنجي اين مدل تطابق خوبي بين خروجي آن و اطلاعات بدست آمده از آزمايشات تجربي با خطاي كمتر از 7% را نشان مي دهد. مدل 2، مدلي كامل شده در مطالعات پيشين است، كه كارايي لايه كاتاليست را با استفاده از مدل توده اي و ميزان سطح فعال الكتروشيميايي محاسبه مي كند. تركيب مدل 1 و 2 قادر به پيش بيني كارايي لايه كاتاليست تحت بارگذاري متناوب است. مطالعات پارامتري براي بررسي اثر پارامترهاي عملكردي بر نرخ زوال ولتاژ انجام شده است. نتايج نشان مي دهد كه دما داراي بيشترين تاثير بر نرخ زوال ولتاژ است بطوريكه با افزايش دما از 60 به 80 درجه سانتيگراد 20.26% نرخ زوال افزايش مي يابد. فشار نيز كمترين تاثير را دارد بطوريكه با افزايش فشار از 2 به 4 اتمسفر نرخ زوال ولتاژ 1.41% افزايش مي يابد.

Degradation of Fuel Cell (FC) components under dynamic loads is one of the biggest bottlenecks in FC commercialization. A novel experimental based model is presented to predict the Catalyst Layer (CL) performance loss under a given cyclic load. It consists of two sub-models: Model 1 computes CL Electro-Chemical Surface Area (ECSA) under an N-cyclic load with the aid of an analogy with fatigue phenomena of carbon steel by using some correction factors. Ostwald ripening of agglomerate particles in the CL is also modeled. Model 1 validation shows good agreements between its outputs and a large number of experiments with maximum 7% error. Model 2 is an already-completed task in an earlier study which uses the agglomerate model to calculate the CL performance for a given ECSA. Combination of Models 1 & 2 predicts the CL performance under a dynamic load. A set of parametric studies was performed to investigate the effects of operating parameters on the Voltage Degradation Rate (VDR). The results show that temperature is the most influential parameter, an increase from 60oC to 80oC leads to 20.26% VDR increase, and pressure is the least effective one, an increase from 2atm to 4atm leads to 1.41% VDR rise.