Computational Modelling of Surface Modified Carbon Nanotube for Low Temperature Fuel Cell

Abstract

Обчислювальне моделювання відіграє ключову роль для підвищення продуктивності PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, паливний елемент з полімерно-електролітною мембраною). Помічено, що шар каталізатора паливного елементу створює багато проблем з точки зору моделювання. Він складається зі складного багатофазного наноструктурованого пористого матеріалу, який важко охарактеризувати. Вуглецеві нанотрубки (CNTs) є чудовою опорною структурою для шару анодного каталізатора завдяки своїм електричним, механічним та термічним властивостям, а також величезному потенціалу застосувань. Серед різних методів функціоналізації іонне опромінення виявилося виключно ефективним методом для модифікації та адаптації властивостей CNTs, особливо багатостінних вуглецевих нанотрубок (MWCNTs), шляхом створення дефектів і контрольованого регулювання структури. Оскільки функціоналізація методом опромінення все ще знаходиться на стадії інтенсивного розвитку, поєднання нових та оптимізованих матеріалів з високою електрокаталітичною активністю та оптимізація умов для цього методу, як очікується, призведе до значного підвищення продуктивності, ефективності та економічності. Обчислювальне моделювання дає змогу систематично моделювати й оптимізувати умови функціоналізації, що полегшило б отримання нового електрокаталітичного матеріалу. Крім того, моделювання функціоналізації CNTs дає глибоке розуміння структури та трансформації CNTs під час іонного опромінення. Цю модель можна використовувати для прогнозування електрокаталітичної активності електрода як функції фізичних характеристик, таких як внутрішня активність каталізатора. Дана робота демонструє обчислювальне моделювання модифікованого шару каталізатора для системи паливних елементів PEM з використанням мов програмування MATLAB і PYTHON.

For the advancement in performance of a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) it is seen that computational modelling plays a key role. It is observed that the fuel cell catalyst layer gives many challenges from a modelling standpoint. It comprises of a complex, multiphase nanostructured porous material which is difficult to characterize. Carbon nanotubes (CNTs) are excellent support structures for the anode catalyst layer because of their electrical, mechanical and thermal properties, as well as their huge application potential. Among different functionalization methods, ion irradiation has proven to be an exceptionally effective method for modifying and adapting the properties of CNTs, especially Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs), by creating defects and adjusting the structure in a controlled manner. As functionalization by the irradiation technique is still undergoing intense development, the combination of new and optimized materials with high electrocatalytic activity and optimization of the conditions for this method is expected to lead to a significant increase in performance, efficiency and cost-effectiveness. Computational modelling makes it possible to systematically simulate and optimize functionalization conditions, which would facilitate the preparation of a new electrocatalytic material. Moreover, modelling of CNT functionalization gives in-depth understanding of the structure and transformation of CNTs upon ion irradiation. This model can be used to predict the electrocatalytic activity of an electrode like a function of physical characteristics as intrinsic activity of catalyst. This work exhibits computational modelling of a modified catalyst layer for a PEM fuel cell system by using MATLAB and PYTHON as programming languages.