2020WNEVC前沿技術解讀｜新型無氟碳氫質子交換膜技術

技術前瞻性

目前燃料電池技術仍需不斷升級迭代，如豐田汽車公司宣佈了現階段燃料電池開發的技術發展方向，包括以更高的執行溫度來提高效率和簡化系統設計，以及提高電堆耐久性等。研究表明，燃料電池目前使用的全氟磺酸膜（PFSA）材料不能在120-140℃下使用，這限制了熱交換器的可用空間，並因此需要用更大的散熱量來增加乘用車的最大功率。同時目前工業規模的火法回收無法應用於全氟磺酸膜。綜合以上因素，目前市場需要環境更加友好、且能在100℃以上使用的質子交換膜。針對這一需求，Ionomr公司開發了Pemion碳氫質子交換膜，與全氟磺酸膜不同，全碳氫膜以磺化芳烴為骨架，因芳烴化合物擁有高機械強度和優異的成膜能力，所以全碳氫膜在200℃以上仍具有化學穩定性。另外，全碳氫膜採用了複合膜結構，在最大限度提高膜耐用性的同時，降低了膜氣體滲透率，並滿足了行業對膜高傳導率的要求。最後，碳氫聚合物的特性和易溶性確保了該膜與現有生產和回收工藝的相容性，消除了氟化物和有毒降解產物帶來的環保問題。

技術引領性

該碳氫質子交換膜表現出較強的化學耐久性，較高的離子交換率使其電導率是目前領先的全氟磺酸膜的1。5-2倍。同時顯著降低了氫氣的滲透，這不僅減少了寄生電流密度的損失，而且可以減少由滲透的氫和氧氣反應所產生的過氧化氫，此過氧化氫會進一步生成可導致膜和催化劑化學降解的活性羥基自由基。此外，由於氣體滲透所產生的高度放熱燃燒反應會形成膜微孔，對膜的效能造成損害。碳氫質子交換膜的低氣體滲透性主要是由於碳氫聚合物的氣體溶解度比含氟聚合物低，碳氫膜低氫氣滲透率的特性，可以減少鉑層帶狀化，增加催化劑層壽命。同時，減少氫氣滲透降低了燃料電池系統對氫氣排放的要求，提高了整體氫能效率和續航能力。

技術顛覆性

儘管碳氫質子交換材料具有許多優點，但缺乏化學穩定性、導電性和可加工性，使其仍未在燃料電池中實現商業化應用。常見的碳氫化合物膜，如sPEEK，易受在燃料電池中產生的自由基攻擊而發生不可逆降解，導電率在溶解度極限處相對較低，且在高沸點溶劑中加工性差。該膜改變了碳氫化合物材料和離子交換材料，透過分析聚合物的降解機理設計出電解質膜，大幅提高了穩定性；同時，透過消除高分子鏈中的非芳香族基團，如醚、酮和碸，避免了所有主要的降解位點。這些芳香族結構本身就是自由基的捕捉劑，完全與二氧化鈰等無機催化離子交換劑相容。典型的離子交換材料的開發始於聚合骨架，然後加入功能基團。這樣的方式影響可生產重複性，引入了產生降解反應的分解點。該碳氫質子交換膜的設計基於重複單元的預功能化，聚合之前產生功能性主鏈原料，限制了發生分解反應的位置，並且比任何後處理都具有更高的可重複性。與壽命長的PFSA不同的是，碳氫質子交換膜不需要後化學處理（PFSA的氟化），分子量比PFSA更高，並具有其他一些優點如較低的催化劑區域性溶解度，可提高低催化劑的效率。這種碳氫質子交換膜的化學策略消除了高功能化碳氫質子交換膜的溶脹問題和一致性問題，實現最大可能的離子交換容量（IECs）。同時，可在低沸點溶劑中採用與PFSA相同的方法處理，並在低沸點溶劑中進行加工，提供一致性。

技術未來發展預期

碳氫質子交換聚合物膜仍在持續發展，需要逐步實現目標應用及其各自執行條件下最高電導率和最高耐久性之間的聯絡。目前市場上PFSA結構和IEC結合的產品較少，使得MEA開發的通用性和可實現的差異化非常有限。可實現的高IECs和高度多樣化的碳氫聚合物，使這種碳氫質子交換膜極具可調性。在聚合物的家族中，越來越多的結構開發致力於進一步改善膜的效能，提高催化劑層中的離子聚合物的差異性。