【摘要】：隨著世界能源危機(jī)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(diǎn)。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(yùn)行溫度低、工作穩(wěn)定性高、啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)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(jī)械穩(wěn)定性。因此,本文針對(duì)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(dòng)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(duì)質(zhì)子交換膜質(zhì)子電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的影響,并對(duì)其原因進(jìn)行分析。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:(1)針對(duì)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(dòng)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(chǎng),在牛頓運(yùn)動(dòng)定律基礎(chǔ)上運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)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(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)平衡計(jì)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(kuò)散系數(shù)、電導(dǎo)率等參數(shù)。進(jìn)而采用非平衡分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算三種質(zhì)子交換膜的熱導(dǎo)率,通過振動(dòng)態(tài)密度等參數(shù)進(jìn)行表征。結(jié)果表明:由于Aciplex膜相對(duì)于其他兩種膜來說具有較長(zhǎng)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(kuò)散系數(shù)最高可達(dá)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(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)方程和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法,采用三維周期性邊界條件,選取COMPASS力場(chǎng),按照原子間距離不低于5?的原則,隨機(jī)建立0-30個(gè)交聯(lián)鍵數(shù)量不等的質(zhì)子交換膜單胞模型。對(duì)其進(jìn)行能量?jī)?yōu)化,確定適合研究的晶胞模型,進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)平衡計(jì)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(kuò)散系數(shù)及質(zhì)子電導(dǎo)率,并通過徑向分布函數(shù)等對(duì)其進(jìn)行表征。此外,通過非平衡分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)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(shì),質(zhì)子電導(dǎo)率最高可達(dá)0.097 S·cm-1,熱導(dǎo)率最高可達(dá)2.31 W·m-1·K-1,但當(dāng)交聯(lián)鍵數(shù)量過多時(shí),會(huì)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(dá)到一定多時(shí)質(zhì)子電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率便不會(huì)再增加并繼而出現(xiàn)下降的趨勢(shì),從而為其他質(zhì)子交換膜實(shí)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(duì)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(dòng)態(tài)密度等參數(shù)進(jìn)行表征,揭示溫度對(duì)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM911.4
【圖文】：

極的擴(kuò)散層到達(dá)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(dá)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(dá) 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(kuò)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(jìn)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(jī)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(gè)目的是提高膜內(nèi)的質(zhì)子傳導(dǎo)率。要達(dá)楚膜內(nèi)質(zhì)子傳導(dǎo)的機(jī)理。第一種機(jī)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弦椎茫杀镜土�，成為時(shí)下質(zhì)子交換膜的研究熱點(diǎn)[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(qiáng)度和柔韌性優(yōu)異、使用壽命長(zhǎng)、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。

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本文編號(hào)：2763965