温度对质子交换膜扩散性能影响的分子动力学模拟

为了研究Nafion膜的微细观结构及其输运特性,针对目前广为采用的Nafion 117膜并基于Materials Studio软件平台构建了一种分子动力学计算模型,在温度分别为300、353 K时,对其实施了计算,得到了不同水含量下Nafion 117膜的元胞结构,并依据该模型计算了水分子和水合氢离子的扩散系数.模拟结果表明:质子交换膜元胞的密度随水含量的增加而下降,和实验值基本一致,最大偏差在8%以内(300 K);当温度升高时,膜元胞密度降低,这与温度升高、膜体积膨胀导致密度降低的宏观分析完全一致.同时,研究了膜水含量、温度对水分子和水合氢离子在膜内的扩散系数的影响,增加水含量可以提高膜的质子传导率,同一温度下水含量越大,水分子和水合氢离子的扩散系数越大,且同一水含量下温度越高,水分子和水合氢离子的扩散系数越大.     

水在Nafion膜中扩散行为介观分析

目的从介观角度研究水在全钒液流电池隔膜中的传质特性.方法采用耗散粒子动力学模拟方法,使用Materials Studio软件构建Nafion膜与水的粗粒化模型,分析了Nafion膜中水通道三维拓扑结构,研究温度、水含量对Nafion膜中水的扩散行为的影响.结果随水含量的增加,全钒液流电池隔膜中的水团簇逐渐形成相互连接且贯穿的海绵状连续水通道、隔膜中磺酸基配位数增加、水在膜中的扩散系数增大;随着温度升高,水在隔膜中的扩散系数增大;在磺酸基周围配位的水分子大部分分布在0.5 nm范围内.结论在一定范围内增加水含量和提高温度有利于Nafion膜中的质子传递,可以提高全钒液流电池的性能.     

交流阻抗法测试质子交换膜电导率的研究

介绍了交流阻抗谱法测试质子交换膜质子电导率的原理与等效电路.并以Nafion117膜为例介绍了采用交流阻抗法测试其电导率的测试夹具及测试平台的设计和搭建,给出了Nafion117膜的交流阻抗谱图以及膜质子电导率随温度的变化曲线.采用交流阻抗法测试质子交换膜的电导率是质子交换膜燃料电池性能测试的重要手段.     

质子交换膜厚度对全钒液流电池性能的影响

目的研究质子交换膜厚度对全钒液流电池充放电性能及交流阻抗的影响.方法选取4种不同厚度的质子交换膜Nafion117、Nafion115、Nafion212和Nafion211分别内置于电池单体,运用全钒液流电池测试系统对电池的伏安特性和交流阻抗特性进行测试分析.采用等效电路法,分析全钒液流电池的等效元件,获得电池的欧姆阻抗和法拉第阻抗.结果在相同电解液浓度下,质子交换膜厚度的增加能延长电池的充放电时间;在膜厚度一定的情况下,增大电解液浓度,能增加电池充放电时间;随质子交换膜厚度的增加,交流阻抗图谱右移;增大质子交换膜厚度,可提高电池的欧姆阻抗.结论全钒液流电池等效电路由欧姆阻抗、正极法拉第阻抗、负极法拉第阻抗和正、负极电容组成;减小质子交换膜厚度能显著降低电池的欧姆阻抗,有利于提高电池的充放电性能.     

利用分子动力学模拟水和盐在磺化聚苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯膜内的扩散行为

为了深入探究磺化聚苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(S-SEBS)膜脱盐机理,采用分子动力学(MD)模拟研究了S-SEBS膜的微观结构及水和盐在膜内的扩散行为,对比不同盐浓度条件下水分子和盐离子在膜内的扩散系数。研究结果发现,水分子和盐离子在膜内有特定的位置分布和不同的扩散性能。水分子在膜内亲水区聚集成团簇,当膜内含水率较高时,水分子在膜内易形成连续的纳米传递通道;Na+由于强静电吸引作用与磺酸根之间的距离较近,Cl-则由于静电排斥作用远离磺酸根。H2O、Cl-和Na+的扩散系数均随着料液浓度的增加而减小,并在同一体系下按H2O、Cl-和Na+顺序由大到小排列,这与水和盐的尺寸、电荷效应及膜的微观结构有关。盐离子在聚合物膜内以水合离子的形式存在,减小了自身在膜内的有效自由体积,增大了传质阻力,从而增大了S-SEBS膜对水分子和盐离子的扩散选择性,这对获得高盐截留率有至关重要的作用。     

利用分子动力学模拟水和盐在磺化聚苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯膜内的扩散行为

为了深入探究S-SEBS膜脱盐机理,采用分子动力学(MD)模拟研究了S-SEBS膜的微观结构及水和盐在膜内的扩散行为,对比不同盐浓度条件下水分子和盐离子在膜内的扩散系数。研究结果发现,水分子和盐离子在膜内有特定的位置分布和不同的扩散性能。水分子在膜内亲水区聚集成团簇,当膜内含水率较高时水分子在膜内易形成连续的纳米传递通道;Na+由于强静电吸引作用与磺酸根之间的距离较近,Cl-则由于静电排斥作用远离磺酸根。H2O、Cl-和Na+的扩散系数均随着料液浓度的增大而减小,并在同一体系下按H2O、Cl-和Na+顺序由大到小排列,这与水和盐的尺寸、电荷效应及膜的微观结构有关。盐离子在聚合物膜内以水合离子的形式存在,减小了自身在膜内的有效自由体积,增大了传质阻力,从而增大了S-SEBS膜对水分子和盐离子的扩散选择性,这对获得高盐截留率有至关重要的作用。     

利用分子动力学模拟水和盐在磺化聚苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯膜内的扩散行为

为了深入探究S-SEBS膜脱盐机理,采用分子动力学(MD)模拟研究了S-SEBS膜的微观结构及水和盐在膜内的扩散行为,对比不同盐浓度条件下水分子和盐离子在膜内的扩散系数。研究结果发现,水分子和盐离子在膜内有特定的位置分布和不同的扩散性能。水分子在膜内亲水区聚集成团簇,当膜内含水率较高时水分子在膜内易形成连续的纳米传递通道;Na+由于强静电吸引作用与磺酸根之间的距离较近,Cl-则由于静电排斥作用远离磺酸根。H2O、Cl-和Na+的扩散系数均随着料液浓度的增大而减小,并在同一体系下按H2O、Cl-和Na+顺序由大到小排列,这与水和盐的尺寸、电荷效应及膜的微观结构有关。盐离子在聚合物膜内以水合离子的形式存在,减小了自身在膜内的有效自由体积,增大了传质阻力,从而增大了S-SEBS膜对水分子和盐离子的扩散选择性,这对获得高盐截留率有至关重要的作用。     

质子交换膜燃料电池膜电极关键材料研究进展

膜电极是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键技术部件,本文根据其构造综述了近几年国内外在膜材料、电极催化剂和气体扩散层方面的研究进展,包括Nafion改良膜、磺化聚芳烃（SPA/SPE）类膜、Pt改性催化剂、非贵金属催化剂以及气体扩散层。对各种材料进行了评价和比较,并指出今后应着眼于Nafion膜的简便改良方法、芳香烃聚合物共混膜的研制、含有Co、N等电极催化剂的研究以及具微孔层、表面较粗糙、疏水性较大的扩散层的研发。     

直接甲醇燃料电池运行参数的研究

以载量均为4 mg/cm2的Pt-Ru黑和Pt黑分别为阳极、阴极催化剂,以碳布为扩散层,以Nafion115为质子交换膜,制备膜电极,组装直接甲醇燃料电池并通过恒电位法和交流阻抗法分别测试性能和阻抗. 研究考察了各种工艺参数对电池电化学性能的影响,得出55 ℃下最佳工艺参数为:甲醇浓度为1.5 mol/L、流量为1.5mL/min时阳极反应达到最优,氧气压力在0.3 MPa、流量在800 mL/min时阴极反应达到最佳.     

磺化聚砜/Nafion复合膜的制备及其性能表征

用磺化聚砜(SPSF)对Nafion膜改性,制备了一系列不同SPSF含量的复合膜,对制备的复合膜进行了红外光谱、甲醇渗透性和质子电导率的测试。实验结果表明,用SPSF对Nafion膜改性后,可以有效提高Na-fion膜的阻醇性能。当膜中SPSF含量为5%时(SPSF5%),复合膜表现出最佳阻醇效果。复合膜的质子电导率随膜中SPSF含量的增加而下降,SPSF 5%膜在室温下水平方向质子电导率是7.7×10-2S cm-1,与Nafion 112相比下降不大。     

扩散层对ab-PBI膜高温燃料电池阴极内传质的影响

目的研究高温质子交换膜燃料电池的扩散层孔隙率及其厚度对于提高其性能的影响.方法建立一个二维、单相、稳态数学模型研究高温质子交换膜燃料电池阴极氧气和水蒸气扩散传递规律.模型耦合了质量守恒方程、动量方程、能量方程、组分方程和催化剂层中的Butler-Volmer方程,研究扩散层孔隙率及其厚度对电池阴极中氧气、水蒸气浓度分布的影响.结果在气体流动方向,氧气浓度逐渐降低,水分浓度逐渐升高;从催化剂层到扩散层,氧气浓度逐渐降低,而水分浓度渐渐升高.减小扩散层的厚度和增大扩散层孔隙率,在气体流动方向,氧气浓度降低的梯度变大,水分浓度升高的梯度也越大;在扩散层和催化剂层厚度方向,氧气浓度降低的梯度变小,水分浓度增大的梯度也越小.结论在一定范围内降低扩散层厚度和增大孔隙率有利于氧气的输入和产物水的排出,提高高温质子交换膜燃料电池性能,对高温质子交换膜燃料电池结构参数的优化及电池的推广应用具有重要影响.     

含砜基磺化聚酰亚胺的合成及其质子导电率和耐水性

合成了一种新型的含有砜基的磺化二胺单体4,4’-二(4-氨基苯氧基)二苯砜-3,3’-二磺酸(BAPPSDS)以及相应的具有不同离子交换容量(IEC)的磺化聚酰亚胺.所制得的聚合物具有良好的溶解性、成膜性及很高的热稳定性,在高相对湿度下及水中这些磺化聚酰亚胺膜显示出较高的质子导电率(与Nafion 117相当).膜的耐水性与其IEC值及磺化二胺单体的构型有关,降低膜的IEC值和使用线型磺化二胺单体可以极大地提高膜的耐水性.得到了既具有较高的质子导电率又有良好耐水性的磺化聚酰亚胺膜.     

大尺寸亲水结构序列嵌段离聚物的结构及性能

以双酚芴、4,4’-二氯二苯砜、联苯双酚型二氮杂萘酮、二氟二苯酮磺酸钠为原料,采用"二锅二步"法制备了一系列具有不同尺寸亲水结构的芴-联苯双酚型氮杂萘酮-两亲序列嵌段聚芳醚砜酮离聚物质子交换膜材料.对合成的质子交换膜材料结构和性能的研究表明:该系列新型离聚物的结构可控;离聚物膜具有明显的微相分离结构,憎水相以小的分离的连续相包裹在亲水连续相中,且随着亲水链段尺寸的增大,其亲水区域的尺寸增大,呈现明显的吸水溶胀状态,形成了大的质子交换通道;该系列膜具有良好的热稳定性,合适的吸水率和溶胀率,良好的质子传导率、力学性能以及高温水解稳定性;随着大尺寸亲水链段尺寸的增加,膜的吸醇率增加,抗氧化性能降低;该系列膜的质子传导率随着温度的升高而增大,5c,5d在20℃下的质子传导率接近或高于Nafion 117的30℃质子传导率,5d的质子传导率在80℃下达到了15.63mS/cm.     

专利技术

质子交换膜燃料电池电极制备新方法 一种质子交换膜燃料电池电极制备新方法,涉及燃料电池的电极制备方法。本发明直接利用市场上的商品原材料,在含铂离子的水溶液中,在Nafion　粘接的碳载体粉末的基体碳布(或纸)电极上,用电化学沉积的方法将铂沉积在与质子交换膜组分接触的碳     

全氟磺酸中空纤维膜基本性能研究

本文用 EW=1563的 Nafion 树脂为原料,纺制了内径为0.44mm,外径为1mm 的中空纤维膜,并将其转化成 K 型、Na 型和 H 型。研究了不同类型的 Nafion 中空纤维膜对水的吸附行为,并初步探讨了 Nafion-H 中空纤维膜对极性不同的两种液体的分离效果。结果表明,水在Nafion 中空纤维膜中的扩散系数与膜中阳离子半径有关,阳离子半径愈小,扩散系数愈大;水在Nafion-K 中空膜中的扩散系数随温度的升高而增加,求得的扩散活化能为44KJ/mol;同时还表明,Nafion-H 中空纤维膜对甲苯-乙醇混合溶液透过蒸发的分离效果良好。     

基于数值模拟研究渗透率对HT-PEMFC性能的影响

目的研究气体扩散层多孔介质渗透率对高温质子交换膜燃料电池(HTPEMFC)性能的影响,优化PEMFC的结构参数,提高电池的整体性能.方法采用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics,以直通道流场结构的PEMFC在工作电压为0.4V的条件下,对气体扩散层渗透率分别设定为1.18×10-12m2、1.18×10-11m2、1.18×10-10m2以及1.18×10-9m2的HT-PEMFC进行数值模拟和结果分析.结果模拟结果得出了流道内沿流道方向的阴极压力变化、电池电流密度以及阴极气态水浓度的分布情况.结论随着气体扩散层渗透率的增大,能有效降低电池阴极流道内的压降,进而改善电池内部传质、降低额外的功耗,提高电池电流密度以及增强阴极的排水能力.对HT-PEMFC结构的优化和设计具有重要的指导意义.     

关于对金属阳离子水解常数的探讨

我们知道,金属阳离子在水中是以水合离子的形式存在.其结合水分子的数目有的是确定的,如[A1(H_2O)_6]~(3+)、[Fe(H_2O)_6]~(3+)、[Cu(H_2O)_4]~(2+)等;有的是不确定的,如[Cd(H_2O)x]~(2+)、[Pb(H_2O)]~(2+)等.许多水合金属离子,在溶液中往往显酸性反应,这是因为金属离子的正电荷排斥开配位水分子中的氢离子而使氢离子电离出来的缘故.这个过程就是金属离子的水解过程.它和多元酸的电离一样,是分级进行的.以水合的三价金属离子[M(H_2O)_8]~(3+)为例,水解过程可设想如下:     

异型Ti电极直接乙醇燃料电池的制备与性能

采用Pt/C作为阴极催化剂,PtRu/C作为阳极催化剂,Nafion115和Nafion液涂覆膜作为质子交换膜,管状Ti丝(管)和平板式Ti网作为制备异型直接乙醇燃料电池的阴极和阳极的载体材料,制备管状阴极和平板阳极.观察了异型阴极和阳极的组织和结构,并通过单电池试验,研究了异型电极对直接乙醇燃料电池(DEFCs)性能的影响.结果表明,管状阴极涂覆的Nafion膜均匀一致,阳极催化剂与Ti网的结合能力较强,较高的O2流量有利于提高DEFCs单电池的性能,当膜载量达到25.0 mg/cm2以上时,会提高DEFCs单电池阻抗,当膜载量小于20.2 mg/cm2时,电池的使用寿命大大降低.     

Pb(Ⅱ)在Nafion修饰电极上的机理研究 (Ⅱ)富集过程中的离子交换和物理扩散

测定Pb(Ⅱ)在Nafion修饰电极上离子交换富集过程中的离子交换系数及物理扩散系数,提出了该过程中,Pb(Ⅱ)在Nafion膜中的浓度分布模型和Pb(Ⅱ)离子交换与扩散模式.     

Pb(Ⅱ)在Nafion修饰电极上的机理研究(Ⅲ)电还原和溶出过程的扩散机理

测定Pb(Ⅱ)在Nafion修饰电极上还原过程中的表观扩散系数和电子交换系数,研究该过程的扩散机理,提出于还原及溶出的过程中Pb(Ⅱ)在Nafion膜上的浓度分布模式.