基于随机行走的质子交换膜内受限空间粒子扩散模拟研究

Proton exchange membrane fuel cells are an attractive energy source with a great promise for efficiently and economically meeting the energy needs in a wide variety of applications. The output power, battery efficiency, cost and application prospects of proton exchange membrane fuel cells strongly depends on the proton exchange membrane. Discusses the proton in proton exchange membrane diffusion transfer mechanism to study the performance of membrane, improve the conductivity of the membrane and the performance of the fuel cell has an important significance. To understand the the diffusion ability and diffusion dynamics of proton or small neutral molecules in different proton exchange membrane, experimental study is hard, also can't directly obtained the nature mechanism, However, theoretical modeling has the characteristics of high efficiency, easy development. This study used the theory of random walk method and combinated with experimental, reasonable simplified, to simulate the dynamic process of particles through the proton exchange membrane structure unit, and utter the relations between particles diffusion and proton exchange membrane microscopic structure and establish the dynamic model for particles diffusion in proton exchange membrane limited space. To investigate the regular pattern of particles diffusion in proton exchange membrane limited space and provides theoretical reference for the preparation and design optimization of proton exchange membrane fuel cells.

质子交换膜燃料电池作为一种新型能源，逐渐成为世界各国的研究热点。质子交换膜燃料电池的输出功率、电池效率、成本及应用前景强烈地依赖于质子交换膜。探讨质子交换膜内粒子的扩散传递机理对研究膜的电性能，从根本上提高膜的电导率进而改善燃料电池的性能有重要意义。从原理上理解质子、中性小分子在不同构造的质子交换膜中的扩散能力和扩散动力学，纯粹的实验研究不仅工作量大，同时还无法直接得出微观、本质的机理,而理论模拟具有效率高的特点、易于开展的特点。本研究利用随机行走理论方法，结合实验，通过合理地简化，模拟粒子透过质子交换膜结构单元的动态过程，解明质子交换膜微观结构以及质子交换膜所处外环境对粒子扩散行为的影响，建立粒子在质子交换膜内受限空间中扩散的动态模型。探索质子交换膜内粒子扩散的更为本质的规律，为质子交换膜的制备和燃料电池的设计优化提供理论参考。

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的“心脏”，探讨粒子在质子交换膜中的扩散传递机理对研究膜的电性能，从根本上提高膜的传质能力进而改善燃料电池的性能有重要意义。本课题利用随机行走方法研究受限的质子交换膜内粒子扩散行为，将影响粒子扩散行为的复杂因素合理的简化成影响粒子随机行走的速度分布。构建了具有Voronoi结构的膜孔道模型，编写了周期性Voronoi结构模型生成软件。通过对粒子在膜内受限空间的模拟研究提出了粒子和膜骨架之间的相互作用模型，并对模型中相关参数的影响进行了初步的模拟探讨。结合随机行走方法编写了可以动态模拟粒子在膜内的扩散运动行为的模拟软件，模拟了具有Voronoi结构的质子交换膜孔道中粒子的扩散行为。模拟结果表明，粒子的定向迁移速率及膜骨架和粒子之间的相互作用比如静电、吸附等作用对粒子扩散有一定的影响；通过选择合适的驱动速度，可以调控不同组分到达膜孔道中指定位置。同时，通过分析粒子在膜内的分布统计图，推出的质子交换膜的质子交换能力与其厚度之间的关系。综合上述结果，本研究为质子交换膜制备及应用提供了理论参考，开发的模拟软件可作为从事质子交换膜传质理论研究的研究工具。项目资助开发出一套模拟软件并申请软件著作权。合作发表期刊论文2篇，会议论文5篇。合作培养两名博士研究生和两名硕士研究生。目前正在整理申报专利1件，整理待发表论文2篇。项目投入经费25万元，支出7.09万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费17.91万元，剩余经费计划用于本项目后续研究支出。