论文部分内容阅读
Nafion(@)是最具应用前景的燃料电池质子交换膜材料。它的质子传导率是影响燃料电池性能，决定电池能量密度的核心因素，一直以来都是阻碍燃料电池产业化的关键瓶颈问题。 在本论文中，针对Nafion(@)膜中的质子传导问题，我们开展了两方面研究。首先，收集了310篇关于Nafion膜结构性能的原始文献报道，提取出3539条相对完善关联的实验研究记录，通过对成分、结构、制样条件、膜电极使用条件和性能等核心参数分类，建立了较为完备并具有代表性的数据库，在此基础上，进行了系统深入的数据挖掘研究。通过对Nafion膜质子传导率的直方图和发展趋势，湿度、温度、掺杂物等的研究，我们发现近13年的研究报道并非是逐年提升的，在2005和2014年达到两个峰值。质子传导率与湿度的关系可以由简单的指数增长方程来较好描述，与温度的关系可以由阿伦尼乌斯方程来阐述。Nafion膜中水蒸气含量可以由Brunauer-Emmett-Teller(BET)方程描述，反映出膜内部具有类似多孔物质的水通道和多层的活性水吸附，这些活性水的含量对提升质子传导率至关重要。此外，我们也发现无机掺杂物比有机掺杂物能更有效地提升Nafion膜的质子传导率，这是因为无机掺杂物使Nafion膜具有更多的亲水多孔表面，从而具有较高的持水能力，显著改善膜中的逾渗水通道，高效地提升膜的质子传导率。 其次，针对Nafion膜的结构性能关系，我们尝试构建了质子传导的微观模型。基于膜中结合水与本体水的质子传导存在显著差异的假定，由于膜的结构和填充物的特征参数如孔隙率、亲水通道及其扭曲度等能够有效改变两种水的分布，结合Nernst-Eistein方程和Smolowchoski随机碰撞模型等经典理论，我们尝试对Nafion膜中质子传导率进行定量描述和预测。通过数据分析，我们确认了质子浓度会随着膜中亲水通道孔径大小表现出不同的分布。在小孔径情况下，质子在膜中分布的较为均匀;而在大孔径中，例如10nm情况下，孔中心的质子浓度与表面的能相差达到7个数量级。目前的理论模型已能较好地阐述Nafion膜中质子传导率随温度和湿度的单调升高关系。 总体来讲，通过数据库建立并对Nafion膜结构性能的数据挖掘并进一步的理论阐述，能够有效回避针对单一体系研究的个性特征，发现Nafion膜中质子传导的共性及其物理本质，可以为设计具有高质子传导率的新型质子交换膜，推动质子交换膜燃料电池的产业化提供重要参考。