氫燃料電池車被視為新能源汽車的下一個風口。燃料電池是一種電化學設備，通過與催化劑和氧氣發生反應，將氫氣轉化成電流（和熱量）。水是唯一的副產品，這使得燃料電池不僅效率高，而且還非常環保。根據轉換過程中使用的電解質，共有幾種不同類型的燃料電池。其中，質子交換膜(Proton Exchange Membrane，PEM)燃料電池已經成為用于燃料電池車輛的首選技術。
質子交換膜外觀
質子交換膜作為氫燃料電池核心部件，其質量好壞直接影響電池的使用壽命。氫氣與氧氣進行非燃燒的氧化還原反應，通過催化劑實現電子與離子分離，氫離子可以直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極，電子通過外電路流向陰極時就可產生直流電。
單電池示意圖
單電池結構示意圖,PEM質子交換膜
我們通常說的膜電極( Membrane electrode assembly)，MEA主要由氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)、催化層(catalyst layer，CL)和質子交換膜(proton exchange membrane, PEM)組成。
MEA 膜電極實物圖
氣體擴散層GDL 通常由碳基材（例如復寫紙）和微孔層組成。涂有催化劑的膜由覆蓋有兩個催化劑層的質子傳導膜組成——該膜通常由全氟化磺酸 (PFSA) 制成。
膜電極工作示意圖
催化劑氧化氫分子并分離電子和質子。然后質子可以選擇性地通過質子交換膜 (PEM) 從陽極移動到陰極，而電子不能通過膜，將被迫通過外部電路，從而產生電流。在此過程中會產生H 2 O 和熱量作為副產品。
根據氟含量，可以將質子交換膜分為全氟質子交換膜、部分氟化聚合物質子交換膜、非氟聚合物質子交換膜、復合質子交換膜。其中，由于全氟磺酸樹脂分子主鏈具有聚四氟乙烯（PTFE）結構，因而帶來優秀的熱穩定性、化學穩定性和較高的力學強度；聚合物膜壽命較長，同時由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團，具有優秀的離子傳導特性。非氟質子膜要求比較苛刻的工作環境，否則將會很快被降解破壞，無法具備全氟磺酸離子膜的優異性能。
典型的全氟質子交換膜結構示意圖
典型的 PFSA 離聚物基膜的分子結構如圖所示。它由兩個區域組成，PTFE 主鏈提供化學/機械/熱穩定性，親水性全氟醚側帶有參與質子傳輸過程的磺酸 (-SO 3 H) 基團。
目前，氫燃料電池中使用的質子交換膜大多采用全氟化聚合物材料合成。這種材料具有穩定性好、使用壽命長等優勢，但開發和生產難度很大，制造成本過高、售價昂貴，國產化程度低。
燃料電池質子膜是一種固體聚合物電解質，具有優良的耐熱性能、力學性能、電化學性能以及化學穩定性能，可在強酸、強堿、強氧化劑介質等苛刻條件下使用。質子膜制備的燃料電池可廣泛應用于乘用車、商用車、叉車、無人機、備用電源、便攜式發電機、供家庭和商業建筑使用的熱電聯產系統等。
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