质子交换膜质子电导率及热导率的分子动力学模拟

发布时间：2020-07-20 21:20

【摘要】：随着世界能源危机不断加剧,燃料电池作为一种新的电源装置,具有能量密度高、能量转化率高和绿色环保等优点。与其他类型的燃料电池相比,质子交换膜燃料电池因具有运行温度低、工作稳定性高、启动速度快等优点而受到全世界的广泛关注。质子交换膜作为质子交换膜燃料电池组成系统中的关键组成部分,起到隔开阴阳极反应,将阳极产生的质子传输到阴极与氧气结合生成水的作用。这就要求质子交换膜具有较高的质子电导率、较好的化学稳定性及机械稳定性。因此,本文针对质子交换膜质子电导率和热导率等性能参数建立分子动力学模型,研究聚合物侧链结构、交联键和温度等因素对质子交换膜质子电导率和热导率的影响,并对其原因进行分析。主要研究内容与结论如下:(1)针对三种具有相同C-F主链结构和不同侧链结构的质子交换膜,分别建立可用于分子动力学模拟的质子交换膜三维初始模型。通过选取COMPASS力场,在牛顿运动定律基础上运用分子动力学计算方法,在三维周期性边界条件下确定适合研究的单胞模型,对其进行结构优化及动力学平衡计算,得到径向分布函数和均方位移曲线等,据此求出质子的扩散系数、电导率等参数。进而采用非平衡分子动力学方法计算三种质子交换膜的热导率,通过振动态密度等参数进行表征。结果表明:由于Aciplex膜相对于其他两种膜来说具有较长的侧链结构,有利于形成质子传输的通道,因此无论是质子电导率还是热导率,由大到小顺序均依次为Aciplex膜、Dow膜和Nafion膜,其中Aciplex膜质子扩散系数最高可达0.22×10-5 cm2·s-1。(2)建立考虑交联键影响的质子交换膜模型。运用牛顿运动方程和分子动力学计算方法,采用三维周期性边界条件,选取COMPASS力场,按照原子间距离不低于5?的原则,随机建立0-30个交联键数量不等的质子交换膜单胞模型。对其进行能量优化,确定适合研究的晶胞模型,进而对其进行动力学平衡计算,得到分子位移和能量密度等相关参数。分析水合氢离子和水分子的均方位移曲线,得到质子扩散系数及质子电导率,并通过径向分布函数等对其进行表征。此外,通过非平衡分子动力学方法计算考虑交联键影响的质子交换膜热导率。结果表明:由于交联键的形成有利于打开质子传输的新通道,因此随着交联键数量的增加,质子电导率和热导率呈上升趋势,质子电导率最高可达0.097 S·cm-1,热导率最高可达2.31 W·m-1·K-1,但当交联键数量过多时,会导致沿着主链骨架的通道堵塞,影响质子传输。因此当交联键数量达到一定多时质子电导率和热导率便不会再增加并继而出现下降的趋势,从而为其他质子交换膜实现改性研究提供新的理论依据。(3)建立不同温度下的质子交换膜模型,分析不同温度对质子交换膜的质子电导率和热导率的影响,并通过径向分布函数和声子振动态密度等参数进行表征,揭示温度对质子交换膜质子电导率及热导率的影响规律。结果表明:在不超过工作极限温度的前提下,质子电导率和热导率都随温度的升高而增大。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4
【图文】：

极的扩散层到达膜电极。在膜的阳极一侧，氢气被阳极催化层中的催化发生电催化反应，阳极反应为：2H 2 H 2e （1-1）离子以水合质子的形式，在质子交换膜中借助于磺酸基(-SO3H)的作用达电池阴极，完成质子的传递。PEMFC 阳极电子积累从而形成了电池电子通过外电路到达 PEMFC 阴极，在阴极催化剂的作用下，氧气与及电子发生电化学反应反应生成水。2 2O 4 H 4e 2H O （1-2）极反应生成的水一部分随着尾气排出电池外部，一部分的水在压差的作质子交换膜向阳极扩散。PEMFC 总的电化学反应为:2 2 22 H O 2H O（1-3）言之，PEMFC 内进行的是燃料和氧化剂在质子交换膜的两侧分别发生的氧化还原反应。从本质上来讲，PEMFC 是一种按照电化学原理，将化剂中的化学能直接转化成电能的能量转化装置。

图 1-2 膜电极的组成igure 1-2 The composition of the membrane electro质子传导机理电池的核心部件是由阴极、阳极和质子交换用性能。质子交换膜在其中起着阻隔燃料与作用，它是一种选择透过性聚合物薄膜，因]：（1）燃料的渗透率低，以避免燃料与氧成开路电压的降低及局部过热，影响电池好，抗氧化且不易被降解，以保证电池的低膜的欧姆电阻，提高输出功率。（4）合适极的制作。（5）原料易得，成本低廉，适的一个目的是提高膜内的质子传导率。要达楚膜内质子传导的机理。第一种机理是自由物拥有两种结构特性：一、存在固定电荷

1 绪论。二是研发新型聚合物材料用以质子交换膜的研究。非氟碳氢主链原料易得，成本低廉，成为时下质子交换膜的研究热点[29]。用（Application）交换膜(Proton Exchange Membranes, PEM)作为 MEA 中的关键组件导质子，也可以绝缘电子传递和阻碍阴阳极反应物接触。优异的上述条件下还需要拥有足够的化学稳定性、高质子导电率、低燃料强度和柔韧性优异、使用寿命长、与催化剂接触良好等特性。目前 为杜邦（Dupont）公司在上世纪六十年代开发的 Nafion 系列膜。N聚氟磺酸（PFSA）膜，其化学名称为全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物构见图 3。

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：2763965