全氟磺酸（PFSA）质子交换膜作为燃料电池电堆的核心部件之一，决定了电池的输出功率和寿命。在这里，研究人员采用原位X射线技术（GIWAXS和GISAXS）探索了短支链全氟磺酸质子交换膜从溶液到成膜过程中的动态结构演变。并发现了一种“溪流-水库”形态，可以实现高效的质子传输。短侧链 (SSC) PFSA PEM 是在形态优化的指导下制造的，其质子传导率为 193 milliSiemens per centimeter [95% 相对湿度 (RH)] 和 40 milliSiemens per centimeter (40% RH) 80℃。改进的玻璃化转变温度、透水性和机械强度使高温低湿 FC 应用成为可能。燃料电池测试结果表明，在高温低湿条件下（110℃, 25% RH），短支链全氟磺酸质子交换膜比长支链全氟磺酸质子交换膜电池性能高出了82.3%。对链构象、包装机制的见解，PFSA 的结晶和相分离建立了结构-性能关系。此外，SSC-PFSA PEM 非常适合高功率密度和重载应用迫切需要的高温低湿的燃料电池。

 
Fig 1. ( A ) SSC-PFSA 成膜过程的原位 GIWAXS表征。( B ) 临界结构形态的衍射峰。( C ) 离子相衍射峰 (~0.2 Å^-1 ) 和 ( D ) 链序峰 (1.2 Å^-1 ) 的演化过程。SSC-PFSA 薄膜在 ( E ) 面内 (IP) 和 ( F ) 面外 (OOP) 方向上的原位 GISAXS 图。GISAXS在 ( G ) IP 和 ( H ) OOP 方向上的 Guinier-Porod 拟合图。

  
Fig 2.( A ) 溶剂蒸发过程中的四步 PFSA 链自组装。( B ) 链构象在溶剂蒸发和 ( C ) 链排序过程中发生变化（q从 1.8 到 2.0 Å^-1 ）。( D ) SSC-PFSA膜结构三维示意图：灰色区域代表疏水相，黄色区域代表亲水相。

 
Fig 3. ( A ) PFSA 离聚物的化学结构。( B ) PFSA 膜的吸水率和相应的含水量（插图）。( C ) PFSA 膜在室温和饱和水蒸气环境下厚度方向的溶胀率 (~2 μm)。( D ) 膜在 23±2℃和 50% RH 下的应力-应变曲线。( E ) PFSA 膜的动态力学分析光谱。( F ) PFSA 膜在 80℃和不同 RH 值下的质子传导率。

 
Fig 4. ( A ) PFSA 膜在 80℃和 95% RH 在 H₂ /空气下的极化曲线。( B ) 在 80℃和 95% RH 且无背压的情况下，具有膜 LSV 的 MEA 中的氢交叉电流。EIS 测量：在 ( C ) 1 A/cm²和 ( D ) 2 A/cm²在 80℃和 95% RH 下运行的 MEA 的奈奎斯特图。等效电路模型显示在 (C) 和 (D) 的插图中。SLPM，标准升每分钟。

 
Fig 5. PFSA 膜在 ( A ) 100℃ 和 25% RH 和 ( B ) 110℃ 和 25% RH 在 H₂/空气下的极化曲线。( C ) 在 90℃和 30% RH 下的 OCV 测试和 ( D ) 在 75℃和 100% RH 下的氢交叉。SLPM，标准升每分钟。
 
        相关研究工作由上海交通大学YONGMING ZHANG和FENG LIU课题组于2023年共同发表在《Science Advances》期刊上，原文：High-temperature low-humidity proton exchange membrane with “stream-reservoir” ionic channels for high-power-density fuel cells。

转自《石墨烯研究》公众号