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(PFAS)家族的一員，隨著替代材料的出現，人們對PFAS的擔憂越來越多。

PEM燃料電池結構示意圖，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量方面的10年期市場預測。IDTechEx還廣泛報道了電動汽車行業，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通過將質子從電池的一側傳輸到另一側，同時保持不同燃料的分離，從而實現燃料電池的功能。在報告中，IDTechEx為PEMs的三個最關鍵參數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和薄膜的結合通過實現快速質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”，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、工業過程中的使用和報廢處理過程中可能被轉移到水循環中，導致不可避免地暴露于生物鏈中。生物積累發生在生物組織中，例如污染水中的魚，然后轉移到食物鏈的上游，包括人類。

PFAS化學品的制造和使用正受到越來越嚴格的監管。歐盟委員會于2021年禁止在包括消防泡沫在內的許多領域使用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，美國環保署發布了國家污染物排放消除系統(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PFASs的3M公司于2022年12月宣布，到2025年將停止相關產品的生產并努力停止使用PFASs。

3M指出，監管限制、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

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，將開始從PFAS膜過渡到替代品(包括碳氫化合物)。原型開發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惡劣的化學環境中容易分解。然而，Ionomr Innovations等公司最近的進展已經看到了碳氫離子交換膜的發展，能夠滿足PEM燃料電池的要求，而不會出現與PFAS材料相關的健康和環境問題。