33402

شبيه سازي ديناميك مولكولي غشاهاي پليمري تبادلگر پروتون در پيل هاي سوختي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي- فرايندهاي جداسازي

1400

1403/6/28

سوسن روشن‌ضمير

/

دانشكده مهندسي شيمي، نفت و گاز

شبيه‌سازي ديناميك مولكولي ابزاري قدرتمند براي بررسي پارامترهاي موثر بر عملكرد غشاهاي هيدروكربني همچون گروه‌هاي عاملي، رطوبت گازهاي ورودي، دماي عملياتي و غيره در سيستم پيل سوختي محسوب مي‌شود. با اين وجود انتخاب مناسب گزينه‌هاي شبيه‌سازي در حصول نتايج قابل اعتماد، بسيار موثر است. بنابراين در بخش اول پژوهش حاضر سعي بر انتخاب بهينه گزينه‌هاي شبيه‌سازي از جمله: بررسي ساختار غشاي پلي اتر اتر كتون، روش كنترل دما و فشار سيستم، ديناميك سيستم و در نهايت ميدان نيرو بوده است. براي رسيدن به اهداف فوق آزمون‌هاي متعددي از جمله پارامتر حلاليت كل، دماي انتقال شيشه‌اي، مدول الاستيسيته، تابع توزيع شعاعي، ميانگين مربع جابه‌جايي و هدايت يون صورت گرفته اند. نتيجه بررسي ساختار غشا توسط پارامتر حلاليت كل و دماي انتقال شيشه‌اي، انتخاب 6 زنجيره پليمري و 15 واحد تكرارشونده (مقادير g.cm-3 261/1 براي چگالي، J0.5.cm-1.5 35/53 براي پارامتر حلاليت كل و 463 كلوين براي دماي انتقال شيشه‌اي) بوده است. در مرحله انتخاب روش ترموستات/باروستات، برندسن/برندسن نسبت به ساير روش‌ها نتايج نزديك‌تري به داده‌هاي تجربي نشان داد (مقدار 0/11 مربع آنگستروم براي ميانگين مربع جابه‌جايي و 48/9 مربع كلوين براي واريانس دما). در نهايت كارايي بهتر ميدان نيروي دريدينگ براي پيش‌بيني رفتار ساختاري، مكانيكي و حرارتي غشا و راندمان بهتر ميدان نيروي كامپس براي محاسبه خواص ديناميكي از ديگر نتايج بود. در بخش دوم پارامترهاي موثر بر عملكرد غشاي پلي اتر اتر كتون بررسي شدند. ابتدا درصدهاي مختلف 47، 53، 60 و 67 براي درجه سولفوناسيون غشا بررسي شد. نتايج حاكي بر اين بود كه افزايش تا 67 درصد باعث افزايش خواص انتقالي در غشا بوده است. نتايج مربوط به تاثير افزايش رطوبت گازهاي ورودي در سيستم نشان داد كه درجه هيدراته 12 به نسبت مقادير 9 و 22/6، خواص انتقالي بهتري نشان داد. قابل ذكر است كه افزايش بيشينه مقادير درجه سولفوناسيون و درجه هيدراته باعث كاهش شديد پايداري غشا در سيستم بوده است. در نهايت تاثير افزودن گروه عاملي كربوكسيل به غشا بصورت متصل به شاخه‌هاي فرعي در دو دماي 15/333 و 15/353 كلوين بررسي شد. افزايش دما و درصد گروه‌هاي كربوكسيل باعث افزايش نفوذ يون هيدرونيوم در غشا و در مقابل كاهش مقاومت مكانيكي و حرارتي غشا بوده است. به عنوان نتيجه‌گيري كلي، انتخاب مناسب گزينه‌هاي شبيه‌سازي شرط تحقق نتايج دقيق است. همچنين نتايج شبيه‌سازي نشان داد كه بهبود خواص انتقالي غشا توسط عوامل مختلف منوط به در نظر گرفتن پايداري مكانيكي و حرارتي غشا است.

1404/02/31

Molecular dynamics simulation analysis of polymeric proton exchange membranes for fuel cells

9/18/2025 12:00:00 AM

Molecular dynamics simulation has become a powerful tool for describing the behavior of membranes in fuel cell systems. The advantages of using this tool to investigate the parameters affecting membrane performance, such as functional groups, humidity of inlet gases, operational temperature, and others, are indispensable as a complement to experimental studies. However, an appropriate strategy for selecting simulation options is crucial for obtaining reliable results. Consequently, before examining the effects of the aforementioned parameters on the performance of poly (ether ether ketone) proton exchange membranes through molecular dynamics, the first part of this research focused on optimizing simulation options, including membrane structure, methods for controlling temperature and pressure in the system, arrangement of ensembles, and ultimately the force field. To achieve these goals, various calculations and tests were conducted, including total solubility parameter, density, glass transition temperature, elastic modulus, thermal and energy profiles, radial distribution function, mean square displacement, self-diffusion coefficient, and ionic conductivity. The investigation of the membrane structure based on structural parameters - density, total solubility parameter, and glass transition temperature - led to the selection of six polymer chains and fifteen monomers (values of 1.261 g.cm-3 for density, 53.35 J0.5.cm-1.5 for total solubility parameter, and 463 Kelvin for glass transition temperature). It is noteworthy that the basis for selecting optimal boxes in this research was the convergence of results with experimental data. In the selection of thermostat/barostat methods, the Berendsen/Berendsen approach yielded results closer to experimental data compared to other methods (11.0 Ų for mean square displacement and 9.48 K² for temperature variance). Furthermore, the results for the self-diffusion coefficient of hydronium ions preferred the use of 3 nanoseconds for both canonical and isothermal-isobaric ensembles (simulation value cm².s⁻¹ compared to experimental data cm².s⁻¹). Ultimately, the superior performance of the Dreiding force field in predicting structural, mechanical, and thermal behavior of membranes and better efficiency of the COMPASS force field for calculating dynamic properties were additional findings. In the second part, as mentioned, parameters affecting membrane performance were examined. Initially, varying degrees of sulfonation (47%, 53%, 60%, and 67%) were investigated. The results indicated that an increase up to 67% enhances the transport properties in the membrane. The results concerning the impact of increased humidity of inlet gases also progressed as expected, with a hydration degree of 12 showing better transport properties compared to 9 and 6.22. It is important to note that excessive increases in sulfonation degree and hydration degree lead to significant reductions in membrane resistance and stability within the system. Finally, the effect of adding carboxylate functional groups to the membrane in the form of side chains was examined at two temperatures (333.15 K and 353.15 K). As anticipated, increases in temperature and percentage of carboxylate groups resulted in enhanced hydronium ion permeability in the membrane while concurrently reducing mechanical and thermal resistance. In conclusion, it can be stated that molecular dynamics, when appropriately selecting simulation options, serves as a suitable tool for investigating ion exchange membranes. In most cases, the choice of method depends on the type of test and the system in question. It is also noteworthy that considering membrane stability is crucial when examining the improvement of transport properties through various factors.

غشا تبادل پروتون , پيل سوختي , پلي اتر اتر كتون , شبيه‌سازي ديناميك مولكولي

proton exchange membrane , fuel cell , Poly ether ether ketone , Molecular Dynamics simulation

Amirhossein Farahi

Soosan Roshan zamir