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质子交换膜是燃料电池关键材料，其作用是在反应时，只让阳极失去电子的氢离子（质子）透过到达阴极，但阻止电子、氢分子、水分子等通过，需要其具有以下几个特性： （1）电导率高（高选择性地离子导电而非电子导电）； （2）化学稳定性好(耐酸碱和抗氧化还原能力)； （3）热稳定性好； （4）良好的机械性能（如强度和柔韧性）； （5）反应气体的透气率低、水的电渗系数小； （6）可加工性好、价格适当。 质子交换膜占到整个燃料电池总成本的10%-20%。被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。迄今最常用的质子交换膜（PEM）仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜， PEMFC大多采用Nafion等全氟磺酸膜，国内装配PEMFC所用的PEM主要依靠进口。 全球主要质子交换膜供应商 国内的武汉理工新能源公司、山东东岳集团、上海神力科技、大连新源动力和三爱富都有均质膜的生产能力，武汉理工的产品还出口国外；在复合膜方面，武汉理工已向国内外数家研究单位提供测试样品；大连化物所、上海交大也在质子交换膜的研究领域有所突破。 据统计，三元动力锂电池的总需求将从 2015 年的 3.27GWh 增加到 2020 年的 49.21GWh，而燃料电池中的质子交换膜用量约为0.2平米/KWH，如果所有的动力锂电池都用燃料电池替代，则2020年用于燃料电池的质子交换膜的完全潜在市场将达到985万平米！如果市场渗透率为10%，则潜在市场为98.5万平米。如果按1平米3000元计算，则市场容量达30亿元左右。 美国能源部的研究表明，在燃料电池系统年产量为 1000 台的条件下，燃料电池堆成本为 154 美元/千瓦，而当产量扩大至 50 万台每年时，燃料电池堆成本将降至 26 美元/千瓦。 相应地，聚合物电解质膜在整个燃料电池堆的成本占比也将由 1000 台时的 28% （对应成本为 43.12 美元/ kw）降至 10%（对应成本为 2.6 美元/ kw）。 由于在燃料电池中质子交换膜成本所占比例极高，降低质子交换膜的价格成为燃料电池进行成功商业化应用的关键因素之一，其中全氟磺酸型膜为目前主流，复合膜、高温膜、碱性膜将成为未来发展方向。 全氟磺酸膜 目前常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸型膜是目前燃料电池主要采用的膜材料，全球全氟磺酸型膜的供应商集中于日本和欧美国家，其中应用最广泛的是美国杜邦公司的Nafion系列膜。 全氟磺酸膜有机械强度高、化学稳定性好、湿度大条件下导电率高等优点，但是同时也存在缺点：温度升高时会引起质子传导性变差、高温时易发生化学降解、单体合成困难、成本高等。因此各机构也在研究其他类型的膜，包括复合膜、高温膜、碱性膜等。 复合膜 复合膜是通过复合的方法来改性全氟型磺酸膜从而提升其耐高温性和阻醇性，如美国Gore公司研制的Gore-select复合膜、大连化物所的Nafion/PTFE复合增强膜和碳纳米管增强复合膜等。 碱性膜 碱性膜对应的燃料电池系统的工作环境为碱性，在这种状态下催化剂选择的范围可以更宽泛，不仅限于铂，还可以使用镍和银等；美国3M公司开发的一种新型PAIF高温质子交换膜，其某些特性参数已经达到甚至超过DOE 2020年目标。 |
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