氢燃料电池核心的质子交换膜介绍

氢燃料电池车被视为新能源汽车的下一个风口。燃料电池是一种电化学设备，通过与催化剂和氧气发生反应，将氢气转化成电流（和热量）。水是唯一的副产品，这使得燃料电池不仅效率高，而且还非常环保。根据转换过程中使用的电解质，共有几种不同类型的燃料电池。其中，质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)燃料电池已经成为用于燃料电池车辆的首选技术。

质子交换膜外观

质子交换膜作为氢燃料电池核心部件，其质量好坏直接影响电池的使用寿命。氢气与氧气进行非燃烧的氧化还原反应，通过催化剂实现电子与离子分离，氢离子可以直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极，电子通过外电路流向阴极时就可产生直流电。

单电池示意图

单电池结构示意图,PEM质子交换膜

我们通常说的膜电极( Membrane electrode assembly)，MEA主要由气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)、催化层(catalyst layer，CL)和质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)组成。

MEA 膜电极实物图

气体扩散层GDL 通常由碳基材（例如复写纸）和微孔层组成。涂有催化剂的膜由覆盖有两个催化剂层的质子传导膜组成——该膜通常由全氟化磺酸 (PFSA) 制成。

膜电极工作示意图

催化剂氧化氢分子并分离电子和质子。然后质子可以选择性地通过质子交换膜 (PEM) 从阳极移动到阴极，而电子不能通过膜，将被迫通过外部电路，从而产生电流。在此过程中会产生H 2 O 和热量作为副产品。

根据氟含量，可以将质子交换膜分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜。其中，由于全氟磺酸树脂分子主链具有聚四氟乙烯（PTFE）结构，因而带来优秀的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度；聚合物膜寿命较长，同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，具有优秀的离子传导特性。非氟质子膜要求比较苛刻的工作环境，否则将会很快被降解破坏，无法具备全氟磺酸离子膜的优异性能。

典型的全氟质子交换膜结构示意图

典型的 PFSA 离聚物基膜的分子结构如图所示。它由两个区域组成，PTFE 主链提供化学/机械/热稳定性，亲水性全氟醚侧带有参与质子传输过程的磺酸 (-SO 3 H) 基团。

目前，氢燃料电池中使用的质子交换膜大多采用全氟化聚合物材料合成。这种材料具有稳定性好、使用寿命长等优势，但开发和生产难度很大，制造成本过高、售价昂贵，国产化程度低。

燃料电池质子膜是一种固体聚合物电解质，具有优良的耐热性能、力学性能、电化学性能以及化学稳定性能，可在强酸、强碱、强氧化剂介质等苛刻条件下使用。质子膜制备的燃料电池可广泛应用于乘用车、商用车、叉车、无人机、备用电源、便携式发电机、供家庭和商业建筑使用的热电联产系统等。

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