【摘要】：隨著世界能源危機不斷加劇,燃料電池作為一種新的電源裝置,具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)化率高和綠色環(huán)保等優(yōu)點。與其他類型的燃料電池相比,質(zhì)子交換膜燃料電池因具有運行溫度低、工作穩(wěn)定性高、啟動速度快等優(yōu)點而受到全世界的廣泛關(guān)注。質(zhì)子交換膜作為質(zhì)子交換膜燃料電池組成系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分,起到隔開陰陽極反應(yīng),將陽極產(chǎn)生的質(zhì)子傳輸?shù)疥帢O與氧氣結(jié)合生成水的作用。這就要求質(zhì)子交換膜具有較高的質(zhì)子電導(dǎo)率、較好的化學(xué)穩(wěn)定性及機械穩(wěn)定性。因此,本文針對質(zhì)子交換膜質(zhì)子電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等性能參數(shù)建立分子動力學(xué)模型,研究聚合物側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、交聯(lián)鍵和溫度等因素對質(zhì)子交換膜質(zhì)子電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的影響,并對其原因進行分析。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)針對三種具有相同C-F主鏈結(jié)構(gòu)和不同側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜,分別建立可用于分子動力學(xué)模擬的質(zhì)子交換膜三維初始模型。通過選取COMPASS力場,在牛頓運動定律基礎(chǔ)上運用分子動力學(xué)計算方法,在三維周期性邊界條件下確定適合研究的單胞模型,對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動力學(xué)平衡計算,得到徑向分布函數(shù)和均方位移曲線等,據(jù)此求出質(zhì)子的擴散系數(shù)、電導(dǎo)率等參數(shù)。進而采用非平衡分子動力學(xué)方法計算三種質(zhì)子交換膜的熱導(dǎo)率,通過振動態(tài)密度等參數(shù)進行表征。結(jié)果表明:由于Aciplex膜相對于其他兩種膜來說具有較長的側(cè)鏈結(jié)構(gòu),有利于形成質(zhì)子傳輸?shù)耐ǖ?因此無論是質(zhì)子電導(dǎo)率還是熱導(dǎo)率,由大到小順序均依次為Aciplex膜、Dow膜和Nafion膜,其中Aciplex膜質(zhì)子擴散系數(shù)最高可達0.22×10-5 cm2·s-1。(2)建立考慮交聯(lián)鍵影響的質(zhì)子交換膜模型。運用牛頓運動方程和分子動力學(xué)計算方法,采用三維周期性邊界條件,選取COMPASS力場,按照原子間距離不低于5?的原則,隨機建立0-30個交聯(lián)鍵數(shù)量不等的質(zhì)子交換膜單胞模型。對其進行能量優(yōu)化,確定適合研究的晶胞模型,進而對其進行動力學(xué)平衡計算,得到分子位移和能量密度等相關(guān)參數(shù)。分析水合氫離子和水分子的均方位移曲線,得到質(zhì)子擴散系數(shù)及質(zhì)子電導(dǎo)率,并通過徑向分布函數(shù)等對其進行表征。此外,通過非平衡分子動力學(xué)方法計算考慮交聯(lián)鍵影響的質(zhì)子交換膜熱導(dǎo)率。結(jié)果表明:由于交聯(lián)鍵的形成有利于打開質(zhì)子傳輸?shù)男峦ǖ?因此隨著交聯(lián)鍵數(shù)量的增加,質(zhì)子電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率呈上升趨勢,質(zhì)子電導(dǎo)率最高可達0.097 S·cm-1,熱導(dǎo)率最高可達2.31 W·m-1·K-1,但當(dāng)交聯(lián)鍵數(shù)量過多時,會導(dǎo)致沿著主鏈骨架的通道堵塞,影響質(zhì)子傳輸。因此當(dāng)交聯(lián)鍵數(shù)量達到一定多時質(zhì)子電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率便不會再增加并繼而出現(xiàn)下降的趨勢,從而為其他質(zhì)子交換膜實現(xiàn)改性研究提供新的理論依據(jù)。(3)建立不同溫度下的質(zhì)子交換膜模型,分析不同溫度對質(zhì)子交換膜的質(zhì)子電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的影響,并通過徑向分布函數(shù)和聲子振動態(tài)密度等參數(shù)進行表征,揭示溫度對質(zhì)子交換膜質(zhì)子電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率的影響規(guī)律。結(jié)果表明:在不超過工作極限溫度的前提下,質(zhì)子電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率都隨溫度的升高而增大。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.4
【圖文】：

極的擴散層到達膜電極。在膜的陽極一側(cè)，氫氣被陽極催化層中的催化發(fā)生電催化反應(yīng)，陽極反應(yīng)為：2H 2 H 2e （1-1）離子以水合質(zhì)子的形式，在質(zhì)子交換膜中借助于磺酸基(-SO3H)的作用達電池陰極，完成質(zhì)子的傳遞。PEMFC 陽極電子積累從而形成了電池電子通過外電路到達 PEMFC 陰極，在陰極催化劑的作用下，氧氣與及電子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)生成水。2 2O 4 H 4e 2H O （1-2）極反應(yīng)生成的水一部分隨著尾氣排出電池外部，一部分的水在壓差的作質(zhì)子交換膜向陽極擴散。PEMFC 總的電化學(xué)反應(yīng)為:2 2 22 H O 2H O（1-3）言之，PEMFC 內(nèi)進行的是燃料和氧化劑在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)分別發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。從本質(zhì)上來講，PEMFC 是一種按照電化學(xué)原理，將化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)化裝置。

圖 1-2 膜電極的組成igure 1-2 The composition of the membrane electro質(zhì)子傳導(dǎo)機理電池的核心部件是由陰極、陽極和質(zhì)子交換用性能。質(zhì)子交換膜在其中起著阻隔燃料與作用，它是一種選擇透過性聚合物薄膜，因]：（1）燃料的滲透率低，以避免燃料與氧成開路電壓的降低及局部過熱，影響電池好，抗氧化且不易被降解，以保證電池的低膜的歐姆電阻，提高輸出功率。（4）合適極的制作。（5）原料易得，成本低廉，適的一個目的是提高膜內(nèi)的質(zhì)子傳導(dǎo)率。要達楚膜內(nèi)質(zhì)子傳導(dǎo)的機理。第一種機理是自由物擁有兩種結(jié)構(gòu)特性：一、存在固定電荷

1 緒論。二是研發(fā)新型聚合物材料用以質(zhì)子交換膜的研究。非氟碳?xì)渲麈溤弦椎�，成本低廉，成為時下質(zhì)子交換膜的研究熱點[29]。用（Application）交換膜(Proton Exchange Membranes, PEM)作為 MEA 中的關(guān)鍵組件導(dǎo)質(zhì)子，也可以絕緣電子傳遞和阻礙陰陽極反應(yīng)物接觸。優(yōu)異的上述條件下還需要擁有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性、高質(zhì)子導(dǎo)電率、低燃料強度和柔韌性優(yōu)異、使用壽命長、與催化劑接觸良好等特性。目前 為杜邦（Dupont）公司在上世紀(jì)六十年代開發(fā)的 Nafion 系列膜。N聚氟磺酸（PFSA）膜，其化學(xué)名稱為全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物構(gòu)見圖 3。

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 趙陽;李雪;馮志明;趙玉彬;謝曉峰;柴春鵬;羅運軍;;降冰片烯類聚合物用于離子交換膜的研究進展[J];化工學(xué)報;2015年S1期

2 張洪霞;沈承;韓福江;靳殷實;張寶春;;質(zhì)子交換膜燃料電池的水平衡[J];化學(xué)通報;2011年11期

3 章蕾;夏長榮;;低溫固體氧化物燃料電池[J];化學(xué)進展;2011年Z1期

4 陳磊;林鴻;陶文銓;;PEM內(nèi)水和質(zhì)子擴散的分子動力學(xué)模擬[J];工程熱物理學(xué)報;2010年11期

5 徐城杰;張廣升;劉洪潭;郭烈錦;;PEM燃料電池內(nèi)部水傳遞的數(shù)值模擬[J];工程熱物理學(xué)報;2010年09期

6 田明星;木士春;潘牧;;質(zhì)子交換膜燃料電池催化層設(shè)計與優(yōu)化[J];電池工業(yè);2010年01期

7 崔淑娟;;燃料電池電動汽車的能源問題[J];城市車輛;2009年01期

8 潘靜靜;張海寧;潘牧;;燃料電池用高溫質(zhì)子交換膜研究進展[J];電池工業(yè);2008年05期

9 郎萬中;許振良;;全氟磺酸離子膜的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用研究進展[J];膜科學(xué)與技術(shù);2005年06期

10 葛善海,衣寶廉,張華民;質(zhì)子交換膜燃料電池模型研究進展[J];電化學(xué);2002年04期

本文編號：2763965