بهینه‌سازی لایه‌ی کاتالیست کاتدی در پیل‌های سوختی غشای تبادل پروتون

واکنش احیای اکسیژن در سمت کاتد پیل‌های سوختنی غشا تبادل پروتون واکنشی کند است و بیشتر 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، تاثیر 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/cm^2 0.9, µm 15 و 55% و در ولتاژهای پایین مقدارها به ترتیب mg/cm^2 0.5,µm 30 و 45% وزنی گزارش شد.

Optimization of Cathode Catalyst Layer in PEM Fuel Cells

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.