膜材料是燃料電池的基礎材料。它是如此重要，事實上，它們通常作為燃料電池的類別名稱，就像質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池一樣，IDTechEx預測，到2033年，PEM燃料電池中的離子交換膜市場價值將超過11億美元。
通常，PEM的材料選擇是一種離子導電聚合物，稱為離聚體（Ionomers）。這些離聚體是全氟烷基物質(zhì)（PFAS）家族的一員，隨著替代材料的出現(xiàn)，人們對PFAS的擔憂越來越多。
PEM燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖，突出了膜所起的核心作用。圖源IDTechEx
新的IDTechEx報告“PEM燃料電池2023-2033年材料”，對PEM燃料電池的膜和其他關鍵部件進行了詳細的技術概述，對主要參與者進行了分析，還包括了關鍵燃料電池部件和材料在單位和數(shù)量方面的10年期市場預測。IDTechEx還廣泛報道了電動汽車行業(yè)，并在“燃料電池電動汽車2022-2042”中預測了燃料電池電動汽車的需求。
PEM通過將質(zhì)子從電池的一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)，同時保持不同燃料的分離，從而實現(xiàn)燃料電池的功能。在報告中，IDTechEx為PEMs的三個最關鍵參數(shù)提供了市場領導者與競爭離聚體材料的廣泛基準測試；電阻、離子交換容量（IEC）和膜厚度。
盡管要運輸質(zhì)子，但膜必須具有高電阻以避免電池短路，而高IEC和薄膜的結(jié)合通過實現(xiàn)快速質(zhì)子運輸來提高燃料電池的性能。有前景的替代品存在，在前面提到的三個類別中，性能超過市場領導者；然而，后者仍然占據(jù)主導地位，這主要是由于它在市場上的先行者地位。
盡管占主導地位，離聚體是一種含PFASs的材料，并且受到與PFASs有關的許多問題的制約。由于氟-碳鍵的強度，全氟烷磺酸被認為是“永久的化學物質(zhì)”，在人體中的積累會導致幾種健康風險，如肝損傷、腎癌和對疫苗的反應降低。
PFASs在其制造階段、工業(yè)過程中的使用和報廢處理過程中可能被轉(zhuǎn)移到水循環(huán)中，導致不可避免地暴露于生物鏈中。生物積累發(fā)生在生物組織中，例如污染水中的魚，然后轉(zhuǎn)移到食物鏈的上游，包括人類。
PFAS化學品的制造和使用正受到越來越嚴格的監(jiān)管。歐盟委員會于2021年禁止在包括消防泡沫在內(nèi)的許多領域使用PFASs，意圖將其使用限制在具有關鍵社會重要性的應用領域，而歐盟可能在2025年之前限制所有PFASs的使用。
2022年12月，美國環(huán)保署發(fā)布了國家污染物排放消除系統(tǒng)（NPDES）計劃的附加備忘錄，旨在加快減少PFAS排放到水道的努力。
在這些當前和擬議的限制措施的支持下，許多公司正在采取行動減少對PFASs的依賴。一個有趣的案例是美國3M公司。自1947年以來一直生產(chǎn)PFASs的3M公司于2022年12月宣布，到2025年將停止相關產(chǎn)品的生產(chǎn)并努力停止使用PFASs。
3M指出，監(jiān)管限制、消費者“對替代品越來越感興趣”以及運營困難是退出PFAS市場的主要原因。
圖源Ionomr Innovations官網(wǎng)
那么，這對燃料電池意味著什么呢？最終，IDTechEx預計在未來三到五年內(nèi)，將開始從PFAS膜過渡到替代品（包括碳氫化合物）。原型開發(fā)項目正在與各種原始設備制造商和新材料進行合作，主要是在學術層面，如金屬有機框架（MOFs），盡管這些材料仍處于早期階段，目前商業(yè)應用很少。
從歷史上看，碳氫化合物作為膜材料并不成功，因為它們在燃料電池內(nèi)惡劣的化學環(huán)境中容易分解。然而，Ionomr Innovations等公司最近的進展已經(jīng)看到了碳氫離子交換膜的發(fā)展，能夠滿足PEM燃料電池的要求，而不會出現(xiàn)與PFAS材料相關的健康和環(huán)境問題。
