豐田公司使用Materials Studio中基於粗粒化方法的Mesodyn中的自洽平均場方法（self-consistent mean field theory）和Mesocite中的耗散動力學（dissipative particle dynamics，DPD）介觀模擬方法，建立了一套用於評估與優化電動汽車領域所使用的商業化高分子電解質膜（Polymer Electrolyte Membrane，PEM）性能的材料篩選準則。

背 景

高分子聚合物電解質膜電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC）採用高分子膜作為固態電解質，具有能量轉換率高、低溫啟動、無電解質洩露等特點，被廣泛用於輕型汽車、便攜式電源以及小型驅動裝置。

PEMFC除了具有燃料電池的一般特點之外，還具有其他突出的優點：

• 工作電流大，比功率高，可達到1 kW/kg；

• 使用固體電解質膜，能夠有效避免腐蝕問題和電解液洩露；

• 工作溫度低，可在-30°C環境下啟動；

• 啟動速度快，幾秒鐘內即可實現冷啟動；

• 組成簡單、結構緊湊、重量小，便於攜帶；

• 由於沒有運動部件，PEMFC工作噪音低；壽命長等。

在聚合物材料的產業應用領域中，功能性高分子聚合物膜需要具備優異的機械強度以及良好的氣體分離能力。為了開發的新一帶可商業化的聚合物材料，需要同時滿足一系列的要求。在材料研發過程中，新型聚合物的合成是需要不斷重複進行的，這就使得在短時間內商業化新型功能聚合物材料成為難事。使用分子模擬（Molecular Simulation）在電腦上對聚合物薄膜進行虛擬地合成與評估可以大大節約材料研發時間。分子模擬可以快速評估材料的某些重要性質，改善整個聚合物材料的開發流程。

用於燃料電池（Fuel Cell）汽車的PEM需要具備眾多的條件。在這些眾多其所應該具備的性質之中，人們對於膜的化學穩定性影響因素的研究——催化劑層的研究已經非常深入了。

圖1 燃料電池聚合物電解質膜（PEM）需要具備的特點

主要內容

對於電動汽車用的PEMFC，Toyota的研究人員建立了一種用於評估電解質膜中的水分子擴散能力，氣體滲透性和機械強度的方法。這些對於商業化薄膜來說是很重要的的性能指標。

1、建 模

圖2 Nafion單體結構化學式和粗粒化珠子模型

將原子模型粗粒化以致能夠模擬更大物理和時間尺度的模型在可以通過MesoDyn中平均場方法和Mesocite中的耗散粒子動力學DPD來進行重現實驗中所得到的水團簇網絡。

2、水分子擴散

利用Mesocite中的DPD介觀模塊來預測Nafion中的孔隙組成所的水網絡，孔隙之間的聯通性是用Monte Carlo（MC）軌跡計算得到。得到三種不容前段共聚物孔隙形貌與水分子擴散的關係。對於水分子擴散來說，增加側鏈分子的長度可以提高薄膜中水的擴散性能。

圖3 經過分子模擬優化之後不同側鏈長度的Nafion單體構成的嵌段共聚物水合膜形貌

圖3中第一張圖中的嵌段共聚物具有最長的支鏈長度，可以很明顯地觀察到形成了寬闊連續的水通道，隨著支鏈長度地逐漸縮短，水通道變得狹窄和間斷，水分子擴散性能變差。

圖4 不同Nafion單體構成的接枝聚合物水合物的孔洞形貌

圖4中紅色為疏水基團A，黃色為親水基團C，藍色為水

圖5 水合膜潤溼程度與水分子擴散係數的關係

使用Mesocite模塊計算得到 Nafion 117的擴散係數能夠很好地符合實驗中所測得的水的擴散係數。質子在Nafion中是以水合氫離子的形式在親水相中傳導。所以，質子傳導速率與水分子擴散係數成正比。水擴散係數可以用來定量地評估質子的傳導率。

圖6 （a）孔洞半徑和（b）由RDF推導得出的水團簇的間距

隨著孔洞半徑的增加以及團簇的逐漸分離，水分子擴散係數隨之升高。

3、計算氣體滲透率

圖7 H2和O2在水合 Nafion 125 膜滲透率的DPD-MC 計算值與實驗值對比

不需要藉助任何擬合的參數，通過溫度以及不同氣體的組分含量，使用DPD-MC方法能夠直接定量地預測氣體滲透率，並能很好地與實驗相吻合。

圖8 40攝氏度下氣體顆粒在水合Nafion的擴散過程中的軌跡

通過控制水團簇的表面結構來限制氫氣在膜中的滲透，降低聚合物相中的擴散係數來限制氧氣的滲透。

4、力學性能

圖9 水含量與水合膜密度以及彈性模量的關係

粗粒化模擬（GCMD）得到的水含量與水化膜密度與實驗值基本吻合（如左圖所示），Nafion 的力學性能隨著水含量上升先變大後變小，趨勢與實驗一致。狹窄的水分子通道是的大量的水無法通過造成淤積形成了水團簇，從而提高了力學性能。

5、總結

通過使用耗散粒子動力學-蒙特卡洛方法（DPD-Monte Carlo approach）來計算交換膜中的水分子擴散和燃料氣體滲透，而使用粗粒化分子動力學來模擬水合膜的機械強度。通過對模擬結果進行系統性地分析，作者找到了能夠有效改善水分子擴散性能，氣體滲透率以及交換膜力學性能的方法。

• 通過降低燃料氣體（H2，O2）滲透率來提高水化PEM的安全性；

• 通過構建含狹窄水分子通道的PEM來提高其力學性能；

• 對Nafion膜進行分子模擬能在短時間內獲取結構合理的優化參數（水團簇的尺寸），比實驗更高效。（來源：創騰科技）

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