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Materials Studio在丰田聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）中的应用
实验背景
丰田公司使用Materials Studio中基于粗粒化方法的Mesodyn中的自洽平均场方法（self-consistent mean field theory）和Mesocite中的耗散动力学（dissipative particle dynamics，DPD）介观模拟方法，建立了一套用于评估与优化电动汽车领域所使用的商业化高分子电解质膜（Polymer Electrolyte Membrane，PEM）性能的材料筛选准则。
高分子聚合物电解质膜电池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC）采用高分子膜作为固态电解质，具有能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，被广泛用于轻型汽车、便携式电源以及小型驱动装置。
PEMFC除了具有燃料电池的一般特点之外，还具有其他突出的优点：
• 工作电流大，比功率高，可达到1 kW/kg；
• 使用固体电解质膜，能够有效避免腐蚀问题和电解液泄露；
• 工作温度低，可在-30°C环境下启动；
• 启动速度快，几秒钟内即可实现冷启动；
• 组成简单、结构紧凑、重量小，便于携带；
• 由于没有运动部件，PEMFC工作噪音低；寿命长等。
在聚合物材料的产业应用领域中，功能性高分子聚合物膜需要具备优异的机械强度以及良好的气体分离能力。为了开发的新一带可商业化的聚合物材料，需要同时满足一系列的要求。在材料研发过程中，新型聚合物的合成是需要不断重复进行的，这就使得在短时间内商业化新型功能聚合物材料成为难事。使用分子模拟（Molecular Simulation）在电脑上对聚合物薄膜进行虚拟地合成与评估可以大大节约材料研发时间。分子模拟可以快速评估材料的某些重要性质，改善整个聚合物材料的开发流程。
用于燃料电池（Fuel Cell）汽车的PEM需要具备众多的条件。在这些众多其所应该具备的性质之中，人们对于膜的化学稳定性影响因素的研究——催化剂层的研究已经非常深入了。
图1 燃料电池聚合物电解质膜（PEM）需要具备的特点
主要内容
对于电动汽车用的PEMFC，Toyota的研究人员建立了一种用于评估电解质膜中的水分子扩散能力，气体渗透性和机械强度的方法。这些对于商业化薄膜来说是很重要的的性能指标。
1、建模
图2 Nafion单体结构化学式和粗粒化珠子模型
将原子模型粗粒化以致能够模拟更大物理和时间尺度的模型在可以通过MesoDyn中平均场方法和Mesocite中的耗散粒子动力学DPD来进行重现实验中所得到的水团簇网络。
2、水分子扩散
利用Mesocite中的DPD介观模块来预测Nafion中的孔隙组成所的水网络，孔隙之间的联通性是用Monte Carlo（MC）轨迹计算得到。得到三种不容前段共聚物孔隙形貌与水分子扩散的关系。对于水分子扩散来说，增加侧链分子的长度可以提高薄膜中水的扩散性能。
图3中第一张图中的嵌段共聚物具有最长的支链长度，可以很明显地观察到形成了宽阔连续的水通道，随着支链长度地逐渐缩短，水通道变得狭窄和间断，水分子扩散性能变差。
图4 不同Nafion单体构成的接枝聚合物水合物的孔洞形貌
图4中红色为疏水基团A，黄色为亲水基团C，蓝色为水
图5 水合膜润湿程度与水分子扩散系数的关系
使用Mesocite模块计算得到 Nafion 117的扩散系数能够很好地符合实验中所测得的水的扩散系数。质子在Nafion中是以水合氢离子的形式在亲水相中传导。所以，质子传导速率与水分子扩散系数成正比。水扩散系数可以用来定量地评估质子的传导率。
图6 （a）孔洞半径和（b）由RDF推导得出的水团簇的间距
随着孔洞半径的增加以及团簇的逐渐分离，水分子扩散系数随之升高。
3、计算气体渗透率
图7 H2和O2在水合 Nafion 125 膜渗透率的DPD-MC 计算值与实验值对比
不需要借助任何拟合的参数，通过温度以及不同气体的组分含量，使用DPD-MC方法能够直接定量地预测气体渗透率，并能很好地与实验相吻合。
图8 40摄氏度下气体颗粒在水合Nafion的扩散过程中的轨迹
通过控制水团簇的表面结构来限制氢气在膜中的渗透，降低聚合物相中的扩散系数来限制氧气的渗透。
4、力学性能
图9 水含量与水合膜密度以及弹性模量的关系
粗粒化模拟（GCMD）得到的水含量与水化膜密度与实验值基本吻合（如左图所示），Nafion 的力学性能随着水含量上升先变大后变小，趋势与实验一致。狭窄的水分子通道是的大量的水无法通过造成淤积形成了水团簇，从而提高了力学性能。
5、总结
通过使用耗散粒子动力学-蒙特卡洛方法（DPD-Monte Carlo approach）来计算交换膜中的水分子扩散和燃料气体渗透，而使用粗粒化分子动力学来模拟水合膜的机械强度。通过对模拟结果进行系统性地分析，作者找到了能够有效改善水分子扩散性能，气体渗透率以及交换膜力学性能的方法。
• 通过增加侧链长度，增加水分子扩散性，提高质子传导率；
• 通过降低燃料气体（H2，O2）渗透率来提高水化PEM的安全性；
• 通过构建含狭窄水分子通道的PEM来提高其力学性能；
• 对Nafion膜进行分子模拟能在短时间内获取结构合理的优化参数（水团簇的尺寸），比实验更高效。
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