质子交换膜是决定燃料电池能量/功率密度、循环寿命等性能的核心部件，也是当前燃料电池汽车亟需进一步发展的关键材料。商业化应用仍以全氟磺酸及其复合膜为主，材料研究近几年的前沿则以磺酸基非氟碳氢聚合物质子交换膜为主。中国科学院长春应用化学研究所高分子材料结构与大数据课题组围绕质子交换膜的结构解析、组成工艺和性能数据库开展了大数据研究，聚焦质子交换膜的组成-工艺-结构-性能关系，为基础研究和应用开发提供理论参考和工具支持。
在结构研究方面，通过计算机模拟（J. Phys. Chem. B2017, 121:9718）与小角X射线散射结合，明晰了全氟磺酸离子聚合物无序相分离的五个微观结构特征，进而发现特征结构尺寸在离聚物分散液和溶胀膜中的标度关系，以及不同极性的溶剂在强相分离微结构中的配分规律(应用化学2019, 36, 1406；Polymer2020, 213, 123224）。这些研究为认识和理解磺酸基聚合物质子交换膜的结构与传导率关系、结构稳定机制、全氟磺酸离子聚合物膜的回收和重铸提供了重要参考(图1)。
图 1. Nafion溶胀膜的SAXS结构解析（左a-a’’）,微观结构分子动力学模拟特征尺寸标识、磺酸跟离子聚集尺寸的标度关系以及微观结构尺寸与膜的溶胀、机械性能的关联矩阵(右a-c)。
在大数据研究方面，首先系统地阐明了全氟磺酸膜的传导率分布范围、传导率与温度和湿度的Arrhenius依赖关系（J. Membr. Sci.2016, 504, 1），进而剖析了全氟磺酸复合膜的填料和制膜工艺对传导率的影响规律（J. Membr. Sci. 2018, 549, 393）。聚焦磺酸基非氟碳氢聚合物质子交换膜，通过详尽的数据挖掘，基于可靠的性能预测模型，高通量筛选了26万余种两组分共聚物，从中找到了2800余种候选共聚物，其具有优于当前商业燃料电池汽车用高分子Nafion 117的综合性能，将为新的高性能质子交换膜材料设计和制备提供切实指导（J. Mater. Chem. A2019, 7, 11847）。
近期，通过对燃料电池用质子交换膜材料的数据挖掘，构建了含全氟、碳氢磺酸基质子交换膜膜电极极化曲线的详尽数据集，一方面基于马尔可夫链蒙特卡罗模拟对已知极化曲线进行了定量解析，提取了重要的热力学和动力学参数，包括热力学电压、燃料渗透引起的电压损失、活化损失、欧姆损失、传质引起的浓差极化等；另一方面使用机器学习对整个极化曲线和相应的峰值功率密度构建了稳健的预测模型，这些模型在盲测中也表现出良好的鲁棒性。据此他们将算法模型集成到软件中，该软件可从已知极化曲线解析出重要参数，并为筛选共聚物的广泛化学和拓扑空间以及膜电极组件设计提供实用帮助。该工作近期以标题Explore the polarization curve for proton exchange membrane fuel cells发表在ACS Appl. Mater. Interfaces，相关软件已获得软件著作权polySML-iV（软件著作权号：2021SR1865553，图2）。论文的第一作者为中国科学院长春应用化学研究所特别研究助理刘伦洋博士，通讯作者为李云琦研究员。该工作得到国家自然科学基金（21774128，U1832177，22173094，51988102）和中国科学院前沿科学重点研究项目（QYZDY-SSW-SLH027）支持。
图 2. 质子交换膜燃料电池极化曲线（A）和峰值功率密度(B)的分布、预测和软件实现。右上为已知电池极化曲线对电池过程中重要热力学和动力学参数解析，右下为已知膜构成制备和测试条件，膜电极极化曲线的定量预测。
论文链接
Liu, L.; Liu, T.; Ding, F.; Zhang, H.; Zheng, J.; Li, Y., Explore the polarization curve for proton exchange membrane fuel cells.ACS Appl Mater Interfaces 2021, 13 (49), 58838.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c20289
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