[論文レビュー] Parameter Estimates for a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Cathode

Qingzhi Guo, Vijay A. Sethuraman+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2013

Heat Transfer and Numerical Methods参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、高分子電解質膜燃料電池（PEMFC）カソードにおける実験的極化曲線の最小二乗フィッティングにより、ガス拡散層の多孔率、触媒層の多孔率、酸素還元の交換電流密度、有効イオン電導度、および酸素拡散係数と半径の比の5つの主要パラメータを特定した。結果として、すべての電流密度においてイオン伝導が性能を支配していることが示されたが、気相反心輸送は高電流密度でのみ顕著に性能に影響を与えることが分かった。

ABSTRACT

Five parameters of a model of a polymer electrolyte membrane fuel cell cathode (the porosity of the gas diffusion layer, the porosity of the catalyst layer, the exchange current density of the oxygen reduction reaction, the effective ionic conductivity of the electrolyte, and the ratio of the effective diffusion coefficient of oxygen in a flooded spherical agglomerate particle to the squared particle radius) were determined by the least square fitting of experimental polarization curves. The values of parameters obtained in this work indicate that ionic conduction and gas-phase transport are two processes significantly influencing the performance of PEMFC air cathodes. While ionic conduction influences cathode performance over a wide range of current densities, gas-phase transport influences cathode performance only at high current densities.

研究の動機と目的

• 高分子電解質膜燃料電池（PEMFC）カソードにおける、輸送および反応速度パラメータのうち最も影響力の大きいものを特定・定量すること。
• さまざまな電流密度下でのカソード性能を正確にモデル化する課題に取り組み、実験データに合わせてモデルパラメータをキャリブレーションすること。
• イオン伝導と気相反心輸送がカソード性能を制限する上での相対的な役割を明確にすること。
• PEMFCカソードの予測モデリングおよび設計最適化に使用可能な、妥当性が確認されたパラメータ推定値を提供すること。

提案手法

• 制御された条件下で、PEMFCカソードからの実験的極化曲線が収集された。
• 多孔質媒体の輸送および電気化学的反応速度を組み込んだカソードの数学的モデルが開発された。
• キャリブレーションのための5つの主要パラメータが特定された：ガス拡散層および触媒層の多孔率、交換電流密度、有効イオン電導度、および有効酸素拡散係数と粒子半径の平方との比。
• 最小二乗フィッティングが、さまざまな電流密度範囲でモデル予測と実験データを一致させるために適用された。
• モデルの残差誤差を最小化することで、シミュレートされた極化曲線と測定された極化曲線の差を最小限に抑えた。
• 各パラメータがモデル出力に与える影響を評価することで、感度分析が暗黙的に行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの輸送および反応速度パラメータがPEMFCカソードの性能に最も顕著に影響を与えるか？
• RQ2 イオン伝導と気相反心輸送は、異なる電流密度においてどのように極化損失に寄与しているか？
• RQ3 実際の実験データにフィットした場合の、主要カソードパラメータの最適値は何か？
• RQ4 凝集体内での有効拡散係数は、全体のカソード性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ガス拡散層および触媒層の多孔率の変動は、極化挙動にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• 酸素還元反応の交換電流密度は、低電流および中電流領域の性能に影響を与える重要な反応速度パラメータであると推定された。
• 有効イオン電導度は、すべての電流密度において支配的要因であることが判明し、オーム損失に強い影響を与えていることが示された。
• 気相反心輸送の制限は、高電流密度でのみ顕著となり、質量輸送オーバーポテンシャルの傾向と整合的であった。
• 有効酸素拡散係数と粒子半径の平方との比は、凝集体スケールの物質移動をモデル化する上で重要なパラメータであると特定された。
• ガス拡散層および触媒層の多孔率は、イオン伝導および気相反心輸送の両方に顕著な影響を与え、極化曲線に測定可能な影響を及ぼすことが分かった。
• 最小二乗フィッティングプロセスにより、すべての5つのパラメータが適切にキャリブレーションされ、実験的極化データとよく一致するモデルが得られた。