聚合物電解質膜燃料電池關鍵材料及膜電極

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聚合物電解質膜燃料電池關鍵材料及膜電極聚合物電解質膜是聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）的核心部件，起着傳輸離子構建迴路、分隔正負極防止電子短路以及防止反應物相互滲透等重要作用，直接決定着PEMFC的輸出性能、穩定性及成本。目前燃料電池用聚合物電解質膜仍面臨離子傳輸對水依賴強、小分子液體燃料滲透嚴重、酸性環境只能匹配使用貴金屬催化劑等嚴峻問題。

目錄

一、背景

聚合物電解質膜的離子傳輸行為與其化學組成、微觀結構和工作環境密切相關，因此深刻認識離子在特定結構和微環境中傳輸行為與機制，構建高性能的聚合物電解質膜，強化離子在電池工作條件下的高效、選擇性傳輸，對PEMFC的發展和大規模應用至關重要。

二、應用案例

1.項目概述

本項目圍繞燃料電池用聚合物電解質膜「離子傳輸與調控」這一關鍵科學問題，採用「膜設計與製備—傳輸行為及性能調控—電池器件應用」的研究思路，通過聚合物電解質膜離子傳輸基元設計、微觀結構調控以及傳輸網絡構建，探究離子傳輸行為機制，強化膜內離子傳輸效率，實現了高溫/低濕條件下離子的高效傳輸，降低了電池對貴金屬催化劑依賴。

2.主要效益

燃料電池作為一種清潔、高效的清潔能源技術，具有廣闊的市場前景，但目前也仍然存在使用成本偏高、氫基礎設施建設不足等因素影響。本項目對聚合物電解質膜燃料電池關鍵材料及膜電極的研究與應用，對推進我國燃料電池產業發展具有重要意義。

三、技術要點

（1）通過離子傳輸基元選擇和微觀結構設計，以磷酸或磷鎢酸作為質子傳輸基元，有序微納孔道結構作為離子傳輸通道，構建高效連續離子傳輸網絡，實現了高溫低濕度/無水條件下的質子高效傳輸。

（2）通過側鏈結構設計和微觀結構調控，實現了OH-在膜內的高效傳輸，提高了膜材料的離子電導率，發展了基於非貴金屬催化劑的鹼性聚合物電解質膜燃料電池；

（3）通過 H +傳輸和 OH-傳輸相結合，構建雙極膜界面，在無外部增濕條件下可以實現穩定放電，實現了電解質膜的自潤濕，從而大幅簡化電池水管理；通過發展雙極膜界面構築方法以及優化鹼性催化層結構，改善界面和催化層中的離子傳輸使BPMFC輸出性能顯著提升，提高輸出功率密度。

四、應用前景

燃料電池是一種清潔、高效的清潔能源技術，已經進入商業化應用的前期，隨着未來傳統石化燃料短缺、消費者環保需求提升以及燃料電池不斷進步等因素刺激下，燃料電池產業將進入市場高速發展時期。聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）作為一種功率密度高、啟動速度快、綠色環保的電化學發電裝置，在電動汽車、航空航天、備用電源等領域具有廣泛的應用前景。