近期，丰田汽车公司推出了第二代Mirai氢燃料电池汽车，与2014年推出的全球首款商业化氢燃料电池汽车相比，配备三个氢燃料箱的五座Mirai最远可行驶850公里，其核心组件质子交换膜采用的是美国戈尔公司第二代Gore-Select膨化聚四氟乙烯增强型全氟磺酸树脂膜，属于低温质子交换膜燃料电池体系。

     目前大部分采用的全氟磺酸膜仅适用于在低温下（<100℃）使用，主要是由于质子交换膜的导电率非常依赖于膜内的含水量，因此对使用环境温度要求较高（最佳工作温度为80摄氏度），温度过高会导致膜内水含量下降，质子的电导率迅速下降。因此目前最常用的全氟磺酸质子交换膜适用于低温质子交换膜燃料电池体系（LT-PEMFC），在高温下常见的质子交换膜（如Nafion）性能会严重衰减。而高温质子交换膜燃料电池相较于低温质子交换膜燃料电池具有高CO耐受性以及更为优异的电池性能，能够减少催化剂由于CO造成的毒化，并且简化了电池中水热管理。高温质子交换膜燃料电池目前主要限制在于双极板腐蚀现象以及高工作温度的维持，但其在燃料电池领域的关注程度仍不断上升。对于高温质子膜交换燃料电池（HT-PEMFC）来说，聚苯并咪唑（PBI）膜具有独特适用性，是该体系的首选。

HT-PEMFC与HT-PEMFC对比  来源：4G光元通信能源机构

     聚苯并咪唑膜之所以适用于高温质子交换膜燃料电池体系主要是由于其主链为高温下稳定性较好的芳香族化合物。并且其聚合物基体中可以掺入高质子传导率的酸性基团作为质子供体（如磷酸基团），使得其在高温干燥环境下具有优异的质子传导性能。下图展示了常见的PBI类型，其中聚2,2′-间亚苯基-5,5′-双苯并咪唑和聚2,5-苯并咪唑（ABPBI）是最常用于HTPEM的PBI。

常见HT-PEMFC的PBI类型^[1]

     目前已成功商业化的PBI膜如Celazole^® PBI和Celtec^®，相较于常见Nafion膜120℃-140℃的玻璃化转变温度，PBI的玻璃化转变温度可达427℃，这也意味着其出色的热稳定性，逐步应用于高温高压情况下的燃料电池与液流电池中。Celazole^® PBI是美国PBI公司的产品，其在2000年最早实现PBI膜的商业化应用，也是目前全球范围内唯一一家生产聚2,2′-间亚苯基-5,5′-双苯并咪唑的公司，主要产品为Celazole^® U系列和T系列聚合物。

     此外，德国巴斯夫（BASF）早在2003年也实现PBI膜的商业化，其生产的Celtec^® PBI薄膜主要面向的就是高温燃料电池，并且实现了基于PBI膜的Celtec^®-P的膜电极商业化生产，其PBI膜产品主要工艺参数如下图所示。国内目前仅有在2019年坤艾新材料公布其成功实现对高温聚苯并咪唑质子交换膜的研发，与现有的质子交换膜相比， 其研发的PBI膜分子量得以较大的提升，其机械强度、质子通道率、运行寿命均有明显优势。这也将将开启高温燃料电池用PBI膜的国产化进程，将逐步实现氢燃料电池的高温质子交换膜电极技术在亚太地区的推广和应用。

     目前，高温质子交换膜的使用对高纯度氢气制备以及储存依赖程度低，通常低温质子交换膜燃料电池体系使用的氢气需要达到99.9%以上，而高温质子交换膜燃料电池体系对氢气纯度要求仅为50%以上，并且可以直接使用甲醇重整制得的含杂质的氢气，这可以极大程度简化燃料电池系统，提高燃料电池运行无故障率。高温质子交换膜燃料电池在重型运输行业潜力较大，可以极大程度减轻重型运输工具的重量。有相当一部分人对高温质子交换膜燃料电池的前景十分看好，并相信将其在备用电源、辅助动力装置以及重型交通方面有很大优势与潜力。据有关报道，上海已经在2023年燃料电池产业规划中把“开发耐高温质子交换膜技术”列在了核心技术自主化的第一位，我们也相信在随着研究与应用的不断发展下，高温质子膜燃料电池将在未来占据一席之地。

[1]孙鹏,李忠芳,王传刚,王燕,崔伟慧,裴洪昌,尹晓燕.燃料电池用高温质子交换膜的研究进展[J].材料工程,2021,49(01):23-34.

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