膜材料是燃料電池的基礎(chǔ)材料。它是如此重要，事實(shí)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(yù)測(cè)，到2033年，PEM燃料電池中的離子交換膜市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)11億美元。

通常，PEM的材料選擇是一種離子導(dǎo)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(duì)PFAS的擔(dān)憂越來(lái)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(bào)告“PEM燃料電池2023-2033年材料”，對(duì)PEM燃料電池的膜和其他關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)概述，對(duì)主要參與者進(jìn)行了分析，還包括了關(guān)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(chǎng)預(yù)測(cè)。IDTechEx還廣泛報(bào)道了電動(dòng)汽車行業(yè)，并在“燃料電池電動(dòng)汽車2022-2042”中預(yù)測(cè)了燃料電池電動(dòng)汽車的需求。

PEM通過(guò)將質(zhì)子從電池的一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)，同時(shí)保持不同燃料的分離，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池的功能。在報(bào)告中，IDTechEx為PEMs的三個(gè)最關(guān)鍵參數(shù)提供了市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者與競(jìng)爭(zhēng)離聚體材料的廣泛基準(zhǔn)測(cè)試；電阻、離子交換容量(IEC)和膜厚度。

盡管要運(yùn)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(guò)實(shí)現(xiàn)快速質(zhì)子運(yùn)輸來(lái)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(gè)類別中，性能超過(guò)市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者；然而，后者仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，這主要是由于它在市場(chǎng)上的先行者地位。

盡管占主導(dǎo)地位，離聚體是一種含PFASs的材料，并且受到與PFASs有關(guān)的許多問(wèn)題的制約。由于氟-碳鍵的強(qiáng)度，全氟烷磺酸被認(rèn)為是“永久的化學(xué)物質(zhì)”，在人體中的積累會(huì)導(dǎo)致幾種健康風(fēng)險(xiǎn)，如肝損傷、腎癌和對(duì)疫苗的反應(yīng)降低。

PFASs在其制造階段、工業(yè)過(guò)程中的使用和報(bào)廢處理過(guò)程中可能被轉(zhuǎn)移到水循環(huán)中，導(dǎo)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(yú)，然后轉(zhuǎn)移到食物鏈的上游，包括人類。

PFAS化學(xué)品的制造和使用正受到越來(lái)越嚴(yán)格的監(jiān)管。歐盟委員會(huì)于2021年禁止在包括消防泡沫在內(nèi)的許多領(lǐng)域使用PFASs，意圖將其使用限制在具有關(guān)鍵社會(huì)重要性的應(yīng)用領(lǐng)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(guó)環(huán)保署發(fā)布了國(guó)家污染物排放消除系統(tǒng)(NPDES)計(jì)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(dāng)前和擬議的限制措施的支持下，許多公司正在采取行動(dòng)減少對(duì)PFASs的依賴。一個(gè)有趣的案例是美國(guó)3M公司。自1947年以來(lái)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(guān)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(fèi)者“對(duì)替代品越來(lái)越感興趣”以及運(yùn)營(yíng)困難是退出PFAS市場(chǎng)的主要原因。

圖源Ionomr Innovations官網(wǎng)

那么，這對(duì)燃料電池意味著什么呢？最終，IDTechEx預(yù)計(jì)在未來(lái)三到五年內(nèi)，將開(kāi)始從PFAS膜過(guò)渡到替代品(包括碳?xì)浠衔?。原型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目正在與各種原始設(shè)備制造商和新材料進(jìn)行合作，主要是在學(xué)術(shù)層面，如金屬有機(jī)框架(MOFs)，盡管這些材料仍處于早期階段，目前商業(yè)應(yīng)用很少。

從歷史上看，碳?xì)浠衔镒鳛槟げ牧喜⒉怀晒?，因?yàn)樗鼈冊(cè)谌剂想姵貎?nèi)惡劣的化學(xué)環(huán)境中容易分解。然而，Ionomr Innovations等公司最近的進(jìn)展已經(jīng)看到了碳?xì)潆x子交換膜的發(fā)展，能夠滿足PEM燃料電池的要求，而不會(huì)出現(xiàn)與PFAS材料相關(guān)的健康和環(huán)境問(wèn)題。