质子交换膜：功能、分类与应用

质子交换膜，作为离子选择性透过膜，其在电池中发挥关键作用，提供质子迁移通道，同时分离气体反应物并阻隔电解液，确保阳极与阴极燃料的隔离。膜电极的中心位置，作为质子传递载体，将阳极催化层产生的质子转移至阴极催化层，与氧气反应生成水。膜作为物理屏障，防止阳极燃料与阴极燃料直接接触。

质子交换膜分为磺化聚合物膜、复合膜与无机酸掺杂膜三大类。研究的核心材料是磺化聚合物电解质，按照含氟量不同，包括全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜与复合膜。全氟质子交换膜因其优秀的热稳定性、化学稳定性、较高的力学强度与产业化程度，被广泛使用。

全氟磺酸膜作为质子交换膜的首选，其优点在于在氧化性和还原性环境中显示出强大的稳定性。在工作温度下，全增湿的全氟磺酸膜质子导电率可达0.2 S/cm，使得100 μm厚的膜电阻低至50 mΩ·cm²，1 A/cm²工作条件下电压损失仅为50 mV。Nafion作为无规共聚物，主要由聚四氟乙烯的主链、连接主链与第三部分结构的支链与包含磺酸基团的离子簇组成。当膜遇水或溶剂时，水合质子在支链的磺酸根之间移动，实现质子传导。全氟磺酸膜的相分离形态赋予其独特的离子和溶剂输送能力。

然而，全氟磺酸膜也存在缺点，如价格昂贵、安全和温度相关的限制。温度超过150℃时，膜会发生分解释放强腐蚀性有毒的SO2气体，并在使用过程中缓慢释放氟，可能限制燃料电池的回收。升高温度会引起全氟磺酸膜脱水、水合能力降低、骨架软化导致机械强度降低和燃料渗透率增大。基于这些缺点，替代品的研究正在不断推进。

提高质子交换膜的性能是研究的焦点。全氟磺酸膜的性能主要由主链长度、侧链长度决定，这些因素共同影响膜的当量、化学结构和相分离行为。此外，氧还原过程中的副产物H2O2分解产生的·OH自由基会进攻全氟磺酸侧链，导致膜降解，降低膜寿命。自由基猝灭剂的加入，如氧化锰和氧化铈，有助于缓解电化学腐蚀。

随着技术的发展，全氟磺酸膜的厚度不断减薄，以提高性能。全氟磺酸树脂制备需要以全氟乙烯基醚单体、四氟乙烯为原料，通过共聚获得树脂，进一步制备生成全氟质子交换膜。全氟磺酸树脂技术壁垒较高，主要玩家包括美国杜邦、3M、戈尔、索尔维、日本旭化成等。东岳集团、科润等国内企业已实现质子交换膜的国产化，预计将在产业竞争中获得优势。随着技术突破，国产质子交换膜的价格有望降低30%-40%。

质子交换膜主要应用于氯碱工业、燃料电池、电解水制氢和储能电池等领域。在氢能行业，质子交换膜主要用途为燃料电池和电解制氢。燃料电池中的双极板材料就是质子交换膜。电解制氢中有质子交换膜（PEM）和碱性电解槽两种方法，每种方案有其优势和劣势。虽然质子交换膜法制氢的比例增速明显高于其他电解方式，但其产能占总电解水制氢产能比例仍不高。

质子交换膜行业面临技术、资质、环保和资金等多重壁垒。这些壁垒有效阻挡新玩家的进入，有助于维持行业整体竞争环境。国内企业在面对海外竞争时，通过研发和产能扩张快速降低成本，提高自身竞争力。

参考资料包括氢能源新材料行业深度报告、燃料电池电堆关键材料技术解析、质子交换膜燃料电池研究进展等。