短侧链全氟磺酸膜材料.docx

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短侧链全氟磺酸膜材料

短侧链全氟磺酸膜材料

王学军1，王丽1，张永明2

【摘要】摘要：

提高运行温度能够克服氢燃料电池面临的许多困难，短侧链全氟磺酸膜在提高燃料电池性能方面具有很大的潜力。

本文总结并比较了不同侧链长度的全氟磺酸膜在离子交换容量、加工成膜性能、机械强度以及降解稳定性方面的研究进展，介绍了国内外短侧链全氟磺酸燃料电池膜的研究现状。

分析表明侧链长度明显影响全氟磺酸膜的综合性能，短侧链因不含醚键及叔碳原子，赋予磺酸树脂更好的稳定性和持久性，其优异的电导和保湿性能更适合在高温低湿等苛刻条件下应用。

提出短侧链全氟磺酸膜未来的研发趋势，包括降低成本、兼顾高电导的同时保持较低的氢气或甲醇透过率、进一步明确传质及降解机理及提高实际运行的综合性能。

【期刊名称】化工进展

【年（卷）,期】2014（000）012

【总页数】9

【关键词】全氟磺酸；膜；聚合物；离子交换；燃料电池

进展与述评

全氟离聚物在工业应用尤其是电化学领域中是不可或缺的材料，其最成功也是规模最大的用途是氯碱生产，不但消除了对汞的依赖，还至少节约1%的全球用电量[1]。

全氟磺酸膜作为最重要的全氟离聚物材料，还成功应用于燃料电池、储能电池和水处理等多种领域，是目前唯一大规模商业化的质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜材料[2-4]。

全氟磺酸（PFSA）树脂均为四氟乙烯与全氟烯醚磺酸单体共聚而得。

研究较多的主要有3种烯醚单体（相对分子质量分别为446g/mol、380g/mol和280g/mol[1]），对应的代表性生产厂家分别是杜邦公司、3M公司和苏威公司。

为方便讨论，按照PFSA树脂分子侧链长度的不同，大致可以分为长侧链（LSC）树脂、中长侧链（MSC）树脂和短侧链（SSC）树脂三类（图1），并分别对应不同种类的质子交换膜。

图1表明，全氟磺酸膜在分子水平上具有憎水的聚四氟乙烯骨架和以醚键连接的末端为亲水磺酸的全氟侧链结构，这种独特结构赋予PFSA膜出色的力学性能、优异的稳定性及较高的质子传导率[3]。

作为PEMFC的关键材料，质子交换膜的性能在很大程度上决定了燃料电池的性能。

现燃料电池的工作温度通常为25～80℃，属低温PEMFC。

与低温PEMFC相比，高温PEMFC（100～120℃）将大大简化电池堆的水热管理系统，克服低温PEMFC难以解决的许多困难，如提高催化剂活性和利用率，增强电极催化剂抗一氧化碳（CO）中毒性能等[5-6]。

而利用短侧链全氟磺酸树脂开发高温PEMFC质子交换膜是解决这些问题的一条重要路线[7]。

杜邦公司生产的Nafion是最常用和研究最广泛的LSC树脂[1]。

短侧链全氟磺酸树脂是采用低分子量功能单体（CF2=CFOCF2CF2SO2F，相对分子质量280，沸点77℃）与四氟乙烯共聚而得。

由于单体合成过程步骤较长，难度较大（也可能与聚合及制造有关系）而没有完全商业化[1]。

21世纪初，比利时苏威公司利用更简单的合成路线，成功地开发了一种制备相同结构的SSC单体的新工艺，并合成出一系列不同组成的短侧链全氟磺酸树脂（Aquivion，原名为Hyflon®Ion），对于SSC单体及树脂的研究才再次兴起[8]。

本课题组在LSC和SSC全氟磺酸树脂和膜方面也做了一些初显成效的工作[9-11]。

本文重点介绍短侧链全氟磺酸树脂及其在质子交换膜方面的研究和应用进展情况。

1短侧链全氟磺酸膜的性质

1.1离子交换容量

离子交换容量（IEC值，单位为mmol/g）代表了树脂的离子交换性能。

IEC值与EW值（离子交换当量，g/mol）呈倒数关系：

IEC=1000/EW。

共聚物中全氟磺酸单体含量的不同直接影响了树脂的交换容量，而在相同含量下，侧链长度的减小则赋予聚合物更高的交换容量，见图2。

由图2可知，具有相同功能基团含量的SSC树脂与LSC树脂相比，前者有更高的IEC值；SSC树脂的结晶度也因为分子链排列更规整而增加[7]，这进一步提高了SSC树脂的机械强度和玻璃化转变温度Tg（约160℃），而Nafion树脂的Tg则约为110℃，使得SSC树脂更适宜用于高温PEMFC[12]。

研究表明，侧链长度的不同会明显影响树脂的微观结构，具有相同IEC的SSC树脂的离子簇尺寸比LSC的要小[13]，而离子簇尺寸对膜的氢气透过率有直接的影响。

Tsou等[14]研究了氢型SSC磺酸膜的氢气透过率和氢气溶解性。

发现对于氢型膜，其氢气溶解性随EW增加而降低，在EW900以后基本稳定不变。

另一方面，氢气渗透系数反而随EW增加而升高，并在EW950左右达到峰值[14]。

加拿大科学院的Holdcroft等[15]在Nafion211膜上沉积含有不同交换容量的东岳SSC磺酸树脂的多孔催化剂层（CL），形成膜电极（CCM）。

与LSC型CL相比，在高温低湿条件下，SSC磺酸层扩展了极化曲线的电流密度，且电池的极化性能在110℃、30%RH下大幅度提高，见图3。

Navessin等[16]考察了以短侧链树脂为阴极催化层CL的形态。

与质量分数为30%的Nafion对照CL相比，仅用10%～20%质量分数的Aquivion短侧链树脂CL显示出类似的形态，电化学表面积和双电层电容效应也颇为接近。

在100%RH湿度下，氧还原反应动力学比对照材料要低，而在70%RH下相近。

原位电化学阻抗分析表明这源于在低电流密度下Aquivion的传质阻力大。

在95℃和相对湿度30%、50%和70%下，相对于对比CL，含有20%质量分数的Aquivion表现出燃料电池性能的改善。

侧链长度和交换容量也会影响电池的性能。

Rodgers等[17]采用不同交换容量的磺酸膜（EW分别为750、950和1100，其中EW750为短侧链树脂）在开路电压（温度90℃，湿度30%）下进行100h测试。

结果表明，EW950膜衰减速度最快，而EW1100衰减最慢。

EW1100中水含量低、侧链含量少，而EW750则不含叔碳且短侧链中醚键含量少。

因此，为达到最佳的电池寿命，合适的交换容量和侧链长度相结合是非常必要的。

1.2热性能与加工成膜性

全氟离聚物具有全氟聚合物良好的热性能，在32%的NaOH（90℃）、热的铬酸以及70%的硝酸（120℃）中，都能保持长期的稳定性。

全氟离聚物的热降解温度Td与其离子形式有关，通常酸型最不稳定。

质子溶剂可以稳定酸型树脂，如Nafion溶液在270℃仍未发生不良反应[1]。

Ikeda等[18]报道在空气中NafionEW950聚合物和DOWEW740聚合物的Td均为319℃，而3M公司的EW800为362℃。

在氩气中则分别为317℃、312℃和393℃。

3M公司的聚合物热分解温度高应归因于其磺酸基与醚键间多了两个碳原子，其降解可能是氧化作用，而另外两种聚合物应是纯粹的热分解。

LSC树脂与SSC树脂的最大区别在于在相同EW值下，后者具有明显高的结晶度和玻璃化温度，此结论与树脂形态（前体、盐型或酸型）无关。

研究表明EW值低于700时SSC树脂前体的晶相消失，而LSC树脂对应的EW值为965[19]。

前体聚合物转化为盐型或酸型之后结晶度降低，如EW800的前体型SSC树脂结晶度为7%，而对应的盐型或酸型树脂则无结晶。

由于较高的结晶度，SSC树脂比LSC树脂吸水率低，同时在水醇溶液中的溶解需要更为苛刻的条件。

因此，侧链长度的不同导致了树脂加工性能的差异。

Ikeda等[18]报道Nafion聚合物的Tg为123℃，3M公司的聚合物为144℃，而DOW公司的聚合物为148℃。

因此，对于相同EW值的树脂，SSC树脂需要更高的熔融加工温度。

侧链长度对树脂加工性能的影响还体现在制品的形貌方面。

为得到用于燃料电池的电纺纤维膜，Jones等[20]采用高介电常数的树脂分散液，考察了磺酸树脂侧链长度对电纺丝制备纳米纤维的影响。

在最佳条件下，由SSC和LSC树脂制备的无纺布膜呈现出截然不同的纤维尺寸。

与LSC相比，SSC中强化的链间作用与较低的EW值，导致SSC纤维直径明显细小，而尺寸分布亦显著狭窄。

在80℃、95%RH下，SSC（EW830）和LSC（EW900）电纺膜的质子导电性分别在102mS/cm和58mS/cm。

1.3吸水溶胀及形态

磺酸树脂的吸水性和一定的水含量是质子能够透过膜的前提和保证，研究显示侧链长度对于水的吸收和扩散具有明显的影响[7]。

实验表明磺酸基团是水可以结合的唯一位点，而侧链上的其他位点即便在高水含量下也不能与水结合[21]。

水的吸附会影响膜的机械强度，Zhao等[22]在不同的温度和水活性下比较3种不同侧链长度的膜。

在干燥条件下，NafionEW1000和AquavionEW850分别在60℃和95℃下发生热转变，而弹性模量随温度升高快速下降。

Aquavion更高的热转变温度表明短侧链膜可以赋予燃料电池以更长的寿命。

水蒸气在膜中的渗透和传递对燃料电池的设计和控制非常重要。

尤其考虑在燃料电池内部，质子膜唯一的外部水源就是气流夹带的水蒸气。

质子膜的电导性严重依赖膜中的水含量，因此也依赖于燃料电池系统的加湿方案[23]。

Angelis等[24-25]采用红外方法对水蒸气在SSC树脂中的吸附行为进行了细致的研究。

按照与聚合物磺酸基团作用力的大小，发现有四种不同类型的水分子：

一种是直接吸附在磺酸位点上，而其他的则形成后续的外层，彼此吸附为壳状结构，见图4。

加拿大NRCC的Holdcroft等[26]考察了东岳公司的SSC树脂的IEC值对水吸收性质的影响。

将SSC树脂与IEC为0.9～1.13mmol/g的LSC树脂进行了对比。

结果表明质子迁移率虽然比参照系要高，但比预期值低。

水渗透、氧扩散以及氧透过性等补充实验亦得到了比预期值（基于高得多的含水量）低的结果。

缩短树脂的侧链为未来改善这类材料的传递性能提供了动力。

1.4结构模型与传质机理

已经有多种理论模型来描述全氟磺酸质子交换膜的微观结构，如离子簇网络模型、“三明治”结构模型和“三相”结构模型等[27]。

这些结构模型大多是在簇-网络模型的基础上发展而来的，该模型认为反胶束结构的球状离子簇（直径3～5nm）通过狭窄水通道（直径1nm）相互连接，并被包埋于半晶、憎水的氟碳链中。

但簇-网络模型存在着很大的局限性，如狭窄水通道并没有直接的实验证据支持等[28]。

质子在水中的传递或迁移，长期以来被认为是延着氢键网络的有序协同机制[29]。

今天，广泛接受的观点是，质子在水中的快速迁移是由氢键的协调波动引发的，后者激活了质子的定域态并促进了质子在水分子间的重新定位[30]。

侧链长度的不同会导致树脂微观结构上的差异并进一步影响膜的传质特性[13-15]，这不仅使SSC膜在降低氢气透过率方面表现出优势[14]，也为解决液流电池中的钒离子渗透和水迁移问题[31]及直接甲醇燃料电池中甲醇渗透率[32]提供了可能。

Zhang等[31]比较了Nafion115膜与SSC膜的微观形貌，发现后者离子簇较小且亲/疏水分离度低，因而更适于降低钒离子的透过速率。

渗透实验证实质子在两种膜中的渗透速率接近，但钒氧离子透过SSC膜的速率仅为LSC膜的一半，见图5。

与Nafion115膜相比，装备SSC膜的钒电池表现出更高的库仑效率及相近的电压效率[31]。

原位传质分析显示SSC膜对钒离子和水的透过率特别低，因而充电容量衰减极其轻微，自放电速度非常慢。

所以，采用SSC膜有利于改善对钒离子的阻挡，是高性能钒电池膜材料的理解选择。

Aricò等[32]将Hyflon膜用于高温直接甲醇燃料电池（DMFC），在甲醇浓度1mol/L空气进样，电池能量密度在140℃、绝对压力3bar（1bar=105Pa，下同）下接近300mW/cm2。

稳定的电化学性能表明SSC膜可用于高温DMFC或PEMFC，适用于电动汽车或分布式发电系统。

1.5力学性能与增强技术

相对于传递性质，力学性能的研究显得并不十分重要。

然而作为燃料电池的核心组件之一，膜的机械完整性是非常重要且必须加以考虑的，尤其是在压力扰动、溶胀脱水、机械蠕动、极端温度等情况下。

为提高膜的质子传导性能的同时保证膜的力学性能，一些增强技术得到了应用，如膜内交联[9]和复合增强等，包括聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜增强、PTFE纤维增强等增强形式。

增强技术可以使膜在降低厚度的同时保持或提升机械强度，实现更好的质子传导性和水传递性。

全氟膜的增强技术最早用于工业大面积的氯碱膜，国产氯碱膜同样采用了网布增强技术[33]。

而在PEMFC领域，质子膜面积较小，其高平整度和低厚度对获得良好的电池性能十分必要。

因此，以Gore公司的PTFE微孔膜为代表的增强材料被广泛应用于燃料电池膜的增强[34]。

1.6降解与化学稳定性

全氟磺酸（PFSA）膜的化学降解是PEMFC长期运行所面临的最严重问题之一。

虽然PFSA膜的化学降解已通过各种实验技术进行研究，化学降解的机制依然依赖于非原位观测和猜测，自由基攻击仍是膜降解的主要原因。

Müller等[35]用非原位Fenton实验研究了自由基攻击对PFSA的化学稳定性的影响，对比了Nafion和Hyflon两种膜，很可能由于侧链没有叔碳，后者表现更稳定。

Schlick研究组在磺酸降解机理方面进行了大量工作[36-37]。

通过氢氧自由基（HO·）对4种膜（Nafion、稳定化的Nafion、3M以及Aquivion膜）的攻击表明，稳定化的Nafion比Nafion膜具有良好稳定性[36]。

而侧链较短的3M和Aquivion膜稳定性更加显著，这是由于侧链不含醚键和叔碳起到了关键作用。

研究还表明膜中的Ce（Ⅲ）具有清除自由基的作用，因此低浓度Ce（Ⅲ）可以发挥高效的稳定作用[37]。

Mohamed等[38]用正电子湮灭法研究了加热对Nafion212（IEC＝0.92mmol/g）和AquivionE87-05（IEC＝1.15mmol/g）全氟质子交换膜结构的影响。

在整个温度研究范围中，正电子在后者中的寿命比在前者中要短。

Nafion离子簇的解离及纳米结构的明显改变发生在160℃之后，而Aquivion则未观察到类似现象，表明SSC膜具有较高的热稳定性。

2高温PEMFC用短侧链全氟磺酸膜

高温PEMFC的开发已成为新一代燃料电池最重要的研究课题，对于动力燃料电池尤具重要意义。

但长链PFSA膜在高温、低湿条件下工作时导电率偏低，无法保证燃料电池正常运行。

因此，高温PEMFC面临的技术挑战之一就是选择能够在高温、低湿环境下既具有良好的电导率又具有优异的热稳定性和力学性能的质子交换膜材料。

几种有代表性的非增强型质子交换膜及其参数见表1。

3M膜的研究报道主要来自Hamrock等[39-40]。

他们[40]用3M树脂与各种不同的杂多酸通过浇铸法制备杂化膜，并用于制作膜电极组件MEA。

在70～100℃及相对低的湿度下，部分杂多酸可以大幅减少F-生成同时明显改善功率。

近来DOW膜的研究报道不多，这应该与其未能完全商业化有关。

Chu等[41]采用红外吸收光谱比较了NafionEW1100与DOWEW560的热稳定性。

将全氟离聚物制备成水性溶液，并在铂箔基质上浇铸成0.5～5μm的薄膜。

在22～300℃空气中加热并记录红外谱图。

研究表明在200℃以下没有明显变化，当升高到300℃时，S—O键相关的谱带强度发生明显的降低，表明离聚物中的磺酸基团出现显著损失。

Kreuer等[42]将传质性能、微观结构和黏弹性作为温度和水化程度的函数，表征不同交换容量（DOWEW840和DOWEW1150）的短侧链全氟离聚物的吸水性。

数据与Nafion117EW1100进行了对比（图6），结果表明在相同的磺酸水化数下，交换容量小的SSC树脂具有明显高的电导率。

Kreuer等[42]讨论了此材料用于直接甲醇燃料电池和氢燃料电池的可能性。

结合高IEC与高的机械稳定性，如增加结晶度或增加分子量、交联度或引入互动粒子，会导致质子导电性增加和水电渗拖曳降低。

稳定性的改善也会起到保持膜形态的作用，从而为改善电池性能提供保障。

相对来说，苏威Aquivion膜研究较多[43-45]。

苏威公司宣称Aquivion膜是基于SSC树脂而研发并用于燃料电池的质子交换膜[43]。

在热稳定性、黏弹性、水吸收以及力学性能等方面，Aquivion拥有与DOW膜相似的性质。

通过挤出加工制备Hyflon膜，性能数据与DOW公司的SSC以及杜邦公司的Nafion的LSC膜进行了对比。

干燥测试证实Hyflon膜具有比Nafion膜更高的玻璃转化温度，特别适合于高温PEMFC。

与同样厚度、结晶度和力学性能的NafionEW1100膜相比，Hyflon膜（EW850）具有更高的起始阶段极化曲线，认为EW850～900的膜具有最佳的综合性能。

采用Hyflon膜的燃料电池在中高温（75～120℃）下表现出极好的电力输出性能，同时在高电力输出条件下具有卓越的耐久性（5000h），在-40℃下仍有电导性和氢气透过性[44]。

用Fenton实验和开路电压法研究了SSC膜的降解性能，实验数据证明经化学稳定处理的E87S膜的氟离子释放率比对照有数量级的降低，即具有更好的化学稳定性[44-45]。

全氟离聚物膜中的离子传输、储存、扩散和飘移等对于电动聚合物装置如致动器、传感器、能量收集装置和超级电容等具有重要意义。

Liu等[46]研究了离子液体浸渍对Aquivion膜的离子电导性、电荷动力学和弯曲致动的影响。

结果表明较短的灵活侧链增进了过剩离子与膜骨架之间的电化学耦合，而未影响致动速度。

Aricò等[47]用苏威公司AquivionE79-03S短侧链膜组装PEMFC电堆并在汽车实际操作条件下进行测试：

压力1～1.5bar，最高达130℃的较宽温度范围和各种不同的湿度水平。

图7为LSC与SSC膜制备的膜电极组件在实际操作条件（1.5bar，110℃）下的极化曲线对比。

在110℃的电性能与电效率表明非常有希望用于动力汽车实际应用。

高温操作条件下的负载循环及稳态恒电流试验表明，Aquivion膜比Nafion膜具有优异的电堆稳定性，组成的电堆具有明显的电容量优势[47]。

而在另外一个加压测试中，Aquivion膜（EW790，30μm）比Nafion（EW1100，50μm）表现出更好的电化学性能。

除了具有较高的开路电压和低电阻外，Aquivion膜还具有更好的催化剂利用率[48]。

这些研究表明SSC膜具有应用于高温PEMFC的潜质。

张海宁等[5]考察了与Nafion结构相似的SSC膜在中高温条件下的应用前景。

通过对短侧链的AquivionEW790膜与Nafion211EW1100膜进行质子传导率和单电池性能测试表明Aquivion膜具有更好的电化学性能，且这种优势在高温、低湿环境下更为突出。

Wu等[49]采用AquivionSSCPFSA离聚物作为聚合物电解质膜水电解的催化层黏结剂。

用循环伏安及稳态线性扫频法研究了SSC含量对析氧反应的影响。

在单电池测试中，由SSC组成的MEA比LSCMEA在90℃下展示出更好的热稳定性。

在连续操作中，电池电压衰变速度仅有0.82mV/h。

3国产短侧链全氟磺酸膜

本文作者课题组[9]利用短链磺酸树脂制备出高性能、适用于高温PEMFC的短链全氟磺酸膜。

这些新型的全氟磺酸树脂膜由于具有高交换容量、高分子量、高玻璃化温度，从而保证膜高温下既具有高的导电性能，又具有良好的力学性质。

Holdcroft等[50]将具有不同IEC值（1.30mmol/g、1.37mmol/g、1.43mmol/g和1.50mmol/g）的东岳SSCPFSA膜和Nafion211膜在燃料电池中的极化曲线进行了比较。

在低湿度条件下，采用SSC膜的燃料电池比Nafion211显示更好的性能，其中IEC=1.37mmol/g的SSCPFSA膜表现出最优的性能。

燃料电池极化曲线的差异源于高频电阻的差异，后者又与非原位测量的质子有效迁移性和膜的水通量有关，而IEC=1.37mmol/g的树脂具有最大水通量。

水渗透与质子迁移性表现出内在的联系，但发现单纯增加膜的IEC并不一定提高水通量和有效的质子迁移（尽管膜的含水量增加了）。

武汉理工大学的Pan等[51]采用PTFE微孔膜增强的东岳SSC磺酸复合膜作为膜电极组建PEMFC电堆。

在电流密度800mA/cm2时，输出电压0.61V（95℃、40%RH），而相同条件下用原生SSC磺酸膜则仅有0.41V。

用复合膜作为膜电极组建的千瓦级电堆也在95℃下进行了考察。

发现随着进气温度的增加，电堆性能增强，见图8。

实验中观察到的水累积现象暗示电堆性能在90℃以上降低应归因于系统缺水。

此研究结果表明复合膜具有在95℃和40%的低湿度条件下运行的潜力，而这正适于动力汽车的应用[51]。

重整制氢得到的H2中常含有痕量的一氧化碳（CO），会严重危害燃料电池的性能[52]。

同济大学的Yang等[53]采用国产低EW值的SSC质子交换膜，组建了一台100W的电堆，并在95℃下评价了其耐受CO的能力。

在不同的CO浓度下，SSC膜体现出更好的性能。

他们进一步通过一个5kW电堆，利用物理和电化学表征考察了不同的催化剂[54]。

结果表明采用东岳SSC膜可使电堆在95℃下运行，改善了所有阳极催化剂的耐受性，有利于充分发挥PEMFC在实际车载运行情况下的动态响应特性。

氯碱工业是全氟磺酸膜大规模应用最成熟的领域。

经过40年的发展，氯碱膜的树脂性能、膜体和表面结构等都已经发展到极致，近十年来开始面临性能提升的瓶颈。

用SSC树脂代替LSC树脂开发新一代氯碱膜可能成为突破点。

Ezzell等[55]曾考察了SSC树脂用于氯碱膜的性能，与LSC树脂膜相比，低水化的SSC树脂具有更高的碱电流效率和更低的电耗。

但由于SSC树脂的成本问题，目前尚没有商品化的SSC氯碱膜。

采用国产LSC树脂的氯碱离子膜已经研发成功，制订的氯碱用离子膜的系列国家标准[56]业已发布，并于2014年8月开始实施。

4结论与展望

全氟磺酸仍然是目前唯一商业化的、应用最广的质子交换膜材料[57]。

与长侧链全氟磺酸树脂相比，短侧链全氟磺酸树脂含有含量相对更高的磺酸根基团，所形成的膜拥有更高的质子传导率和更低的传质阻力[58]；短侧链膜通过其更高含量的磺酸根基团来保持膜内的水含量，从而维持较高的电池性能；同时，由于侧链少一个—OCF2CFCF3—链段，短侧链膜的链结构对称性更高，规整性更好，更容易结晶，其玻璃态转变温度和机械强度也更高，适合在高温、低湿环境下使用。

要满足高温燃料电池的苛刻要求并实现PFSA膜大规模应用，最重要的是要满足对性能、成本和寿命的实际综合需求。

按照美国能源部提出的未来燃料电池技术发展的阶段目标[59]，短侧链全氟磺酸树脂及其膜材料是最有可能达到实用要求的材料[7]。

必须看到，尽管短侧链全氟磺酸离聚物用于高温燃料电池的前景非常诱人，但相关研究刚刚起步，许多问题还有待解决。

首先是价格问题，具有诸多优点的短侧链全氟磺酸离聚物目前尚未大规模代替长侧链产品，主要是生产成本难以进一步降低，归根到底是一个合成技术与工艺路线的优化问题；其次是IEC的提高并不是越高越好，如何在兼顾高强度和低电阻的同时保持较低的氢气或甲醇透过率，需要实验和理论的进一步相互印证；第三是深入研究传质机理及降解机理以提高膜及电池的寿命，包括水在膜中的形态、质子迁移、水通道与离子通道等，以便为PFSA膜的进一步改进或掺杂改性提供指导[60]；最后是全氟磺酸膜在电堆及实际运行中的综合性能研究。

氢燃料电池作为绿色能源技术，其发展潜力无限，只要在质子交换膜等关键材料和技术方面实现突破，其商业化指日可待。

参考文献：

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