Modeling of Catalyst Layer for PEM Fuel Cell: MATLAB Approach

Abstract

Полімерний електролітичний мембранний паливний елемент (PEMFC) став новою технологією паливних елементів для стаціонарних і транспортних додатків. У роботі представлено моделювання шару каталізатора для системи PEMFC за допомогою MATLAB. Моделювання шару каталізатора є багатопараметричною та багатокритеріальною проблемою. Моделювання шару каталізатора варіюється від нуля до трьох вимірів. Фактична структура шару каталізатора не розглядається моделями нульового розміру. Загальні зміни в шарі каталізатора зображені одновимірними моделями. Дво- та тривимірні моделі враховують шар каталізатора та агломерат. У роботі представлена динамічна модель шару каталізатора для системи PEMFC з використанням MATLAB, який може бути використаний для розробки шару каталізатора. Запропонована модель включає різні умови експлуатації. Основна мета моделювання шару каталізатора полягає в тому, щоб вийти за рамки емпіричного опису характеристик паливного елемента, і моделювання проведено на основі певних параметрів із безпосередніми фізичними значеннями. Ця модель використовується для прогнозування підвищеної продуктивності шару каталізатора як функції таких вимірюваних характеристик, як власна активність каталізатора, ефективна площа поверхні, розмір агломерату, поліпшені електродні матеріали тощо. Кілька спрощуючих припущень роблять модель набагато простішою в обчислювальному плані і, отже, підходящою для моделювання не тільки шару каталізатора, але і всієї системи елементів. Незважаючи на ці припущення, модель добре відтворює експериментальні дані. Більше того, спостерігається, що запропонована динамічна модель каталізатора є дуже корисною у порівнянні з хімічно синтезованими каталізаторами.

The Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has become an upcoming fuel cell technology for stationary as well as transportation applications. This work presents modelling of catalyst layer for PEMFC system through MATLAB. Catalyst layer modelling is a multi-variable and multi-objective problem. Modelling of the catalyst layer ranges from zero to three dimensions. The actual structure of the catalyst layer is not being considered by zero-dimensional models. Overall changes in the catalyst layer are depicted by one-dimensional models. Two- and three-dimensional models account for the catalyst layer and the agglomerate. This work presents a dynamic model of the catalyst layer for PEMFC system by using MATLAB that can be used for the development of the catalyst layer for the same. The proposed model includes various operating conditions. The focus of catalyst layer modelling is to go beyond empirically describing the characteristics of the fuel cell and the modelling is done based on certain parameters with direct physical meaning. This model is being used to predict the enhanced performance of the catalyst layer as a function of such measurable characteristics as catalyst intrinsic activity, effective surface area, agglomerate size, improved electrode materials etc. A few simplifying assumptions make the model quite easier in computational demand and therefore compliant to simulate not only the catalyst layer but also the entire cell system. Despite these assumptions, the model reproduces experimental data well. Moreover, it is observed that the proposed dynamic model of the catalyst is very useful in comparison with the chemically synthesized catalysts.