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聚合物电解质膜燃料电池关键材料及膜电极聚合物电解质膜是聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的核心部件，起着传输离子构建回路、分隔正负极防止电子短路以及防止反应物相互渗透等重要作用，直接决定着PEMFC的输出性能、稳定性及成本。目前燃料电池用聚合物电解质膜仍面临离子传输对水依赖强、小分子液体燃料渗透严重、酸性环境只能匹配使用贵金属催化剂等严峻问题。

一、背景

聚合物电解质膜的离子传输行为与其化学组成、微观结构和工作环境密切相关，因此深刻认识离子在特定结构和微环境中传输行为与机制，构建高性能的聚合物电解质膜，强化离子在电池工作条件下的高效、选择性传输，对PEMFC的发展和大规模应用至关重要。

二、应用案例

1.项目概述

本项目围绕燃料电池用聚合物电解质膜“离子传输与调控”这一关键科学问题，采用“膜设计与制备—传输行为及性能调控—电池器件应用”的研究思路，通过聚合物电解质膜离子传输基元设计、微观结构调控以及传输网络构建，探究离子传输行为机制，强化膜内离子传输效率，实现了高温/低湿条件下离子的高效传输，降低了电池对贵金属催化剂依赖。

2.主要效益

燃料电池作为一种清洁、高效的清洁能源技术，具有广阔的市场前景，但目前也仍然存在使用成本偏高、氢基础设施建设不足等因素影响。本项目对聚合物电解质膜燃料电池关键材料及膜电极的研究与应用，对推进我国燃料电池产业发展具有重要意义。

三、技术要点

（1）通过离子传输基元选择和微观结构设计，以磷酸或磷钨酸作为质子传输基元，有序微纳孔道结构作为离子传输通道，构建高效连续离子传输网络，实现了高温低湿度/无水条件下的质子高效传输。

（2）通过侧链结构设计和微观结构调控，实现了OH-在膜内的高效传输，提高了膜材料的离子电导率，发展了基于非贵金属催化剂的碱性聚合物电解质膜燃料电池；

（3）通过 H +传输和 OH-传输相结合，构建双极膜界面，在无外部增湿条件下可以实现稳定放电，实现了电解质膜的自润湿，从而大幅简化电池水管理；通过发展双极膜界面构筑方法以及优化碱性催化层结构，改善界面和催化层中的离子传输使BPMFC输出性能显著提升，提高输出功率密度。

四、应用前景

燃料电池是一种清洁、高效的清洁能源技术，已经进入商业化应用的前期，随着未来传统石化燃料短缺、消费者环保需求提升以及燃料电池不断进步等因素刺激下，燃料电池产业将进入市场高速发展时期。聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）作为一种功率密度高、启动速度快、绿色环保的电化学发电装置，在电动汽车、航空航天、备用电源等领域具有广泛的应用前景。