含氟磺化聚酰亚胺质子交换膜的制备及其分子动力学模拟

发布时间：2022-04-23 10:04

　　质子交换膜燃料电池（PEMFC）重量轻、效率高、废气排放低,在汽车、固定和便携式电源等领域受到广泛关注,质子交换膜是PEMFC中的不可或缺的组分。其中,全氟磺酸膜如Nafion?具有优异的化学和物理稳定性同时具有高质子传导率,因而被视为最先进的PEMFC之一。然而,成本高、燃料渗透率高以及高温不可用性限制了Nafion?的应用。磺化聚酰亚胺膜（SPI）作为全氟磺酸膜的替代材料,具有高热稳定性、高机械稳定性、低燃料渗透及高质子传导率。然而SPI膜的耐水解稳定性较差,高磺化度膜在水中会过度吸水导致溶胀,严重影响机械性能。本论文针对SPI性能上的不足,从膜材料的化学结构入手,在SPI的分子主链中引入含氟基团,制备系列新型含氟磺化聚酰亚胺薄膜（FPI）,系统研究氟含量对薄膜的热稳定性、尺寸稳定性、质子传导率、甲醇渗透率以及耐水解稳定性的影响规律。为了保证实验的可行性,在展开实验前使用Materials Studio 8.0软件对不同氟含量的聚酰亚胺进行分子动力学（MD）模拟。构建模型,能量和几何优化、动力学平衡以确保模型的可用性,预测不同氟含量的磺化聚酰亚胺的力学性能和质子电导率,为试验提供依... 

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

燃料电池的应用情况

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-质子交换膜[11]具有传导质子、绝缘电子、阻隔两级燃料等重要作用，是膜电极中的关键组分。[12]图1-2PEMFC结构图以甲醇为燃料的PEMFC我们称为直接甲醇燃料电池（DMFC）。DMFC具有以下优点：（1）甲醇毒性较小；（2）与氢相比，甲醇作为液体容易储存和运输；（3）甲醇作为生物再生能源，具有广泛的应用前景；（4）价格低廉。因此对于便携式移动应用，DMFC目前被认为是一种很有前途的电源。如图1-3所示是DMFC的工作原理。图1-3DMFC工作原理图在阳极区，甲醇通过扩散层进入催化层，在催化剂的作用下发生氧化反应，产生质子和CO2。生成的质子通过PEM迁移到阴极。阴极区的氧气或空气通过扩散层进入催化层并与从阳极迁移过来的质子发生还原反应产生水。DMFC的反应原理如下：在DMFC的阳极发生甲醇的氧化反应，其化学表达式如式(1-1)：阳极反应：2CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-（1-1）阴极发生氧气的还原反应，其化学表达式如式(1-2)：阴极反应：3/2O2+6H++6e-→3H2O（1-2）

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-质子交换膜[11]具有传导质子、绝缘电子、阻隔两级燃料等重要作用，是膜电极中的关键组分。[12]图1-2PEMFC结构图以甲醇为燃料的PEMFC我们称为直接甲醇燃料电池（DMFC）。DMFC具有以下优点：（1）甲醇毒性较小；（2）与氢相比，甲醇作为液体容易储存和运输；（3）甲醇作为生物再生能源，具有广泛的应用前景；（4）价格低廉。因此对于便携式移动应用，DMFC目前被认为是一种很有前途的电源。如图1-3所示是DMFC的工作原理。图1-3DMFC工作原理图在阳极区，甲醇通过扩散层进入催化层，在催化剂的作用下发生氧化反应，产生质子和CO2。生成的质子通过PEM迁移到阴极。阴极区的氧气或空气通过扩散层进入催化层并与从阳极迁移过来的质子发生还原反应产生水。DMFC的反应原理如下：在DMFC的阳极发生甲醇的氧化反应，其化学表达式如式(1-1)：阳极反应：2CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-（1-1）阴极发生氧气的还原反应，其化学表达式如式(1-2)：阴极反应：3/2O2+6H++6e-→3H2O（1-2）


本文编号：3646962