質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(PEM)是一種半透膜，通常由離聚物制成并設(shè)計(jì)用于傳導(dǎo)質(zhì)子，同時(shí)充當(dāng)電子絕緣體和反應(yīng)物屏障，例如氧氣和氫氣。這是它們?cè)诮Y(jié)合到質(zhì)子交換膜燃料電池或質(zhì)子交換膜電解器的膜電極組件(MEA)中時(shí)的基本功能：分離反應(yīng)物和傳輸質(zhì)子，同時(shí)阻斷通過(guò)膜的直接電子通路。質(zhì)子交換膜可以由純聚合物膜或復(fù)合膜制成，其中其他材料嵌入聚合物基質(zhì)中。最常見和市售的PEM材料之一是杜邦公司的產(chǎn)品氟聚合物(PFSA)Nafion。雖然Nafion是一種像聚四氟乙烯一樣具有全氟骨架的離聚物，但還有許多其他結(jié)構(gòu)基序可用于制造用于質(zhì)子交換膜的離聚物。許多使用聚芳烴聚合物，而其他使用部分氟化聚合物。質(zhì)子交換膜的主要特點(diǎn)是質(zhì)子電導(dǎo)率(σ)、甲醇滲透率(P)和熱穩(wěn)定性。質(zhì)子交換膜燃料電池使用固體聚合物膜（薄塑料膜），當(dāng)它被水飽和時(shí)質(zhì)子可以透過(guò)，但它不傳導(dǎo)電子。

早期的質(zhì)子交換膜技術(shù)是在1960年代早期由為通用電氣公司工作的化學(xué)家LeonardNiedrach和ThomasGrubb開發(fā)的。大量政府資源用于研究和開發(fā)這些用于NASA的雙子座項(xiàng)目太空飛行計(jì)劃的膜。許多技術(shù)問(wèn)題導(dǎo)致NASA放棄使用質(zhì)子交換膜燃料電池，轉(zhuǎn)而使用電池作為雙子座任務(wù)1-4的容量較低但更可靠的替代品。通用電氣改進(jìn)的一代PEM燃料電池被用于隨后的所有雙子座任務(wù)，但被放棄用于隨后的阿波羅任務(wù)。氟化離聚物Nafion是當(dāng)今使用最廣泛的質(zhì)子交換膜材料，由杜邦塑料化學(xué)家WaltherGrot開發(fā)。2014年，曼徹斯特大學(xué)的AndreGeim發(fā)表了關(guān)于石墨烯和氮化硼原子厚單層的初步結(jié)果，該結(jié)果僅允許質(zhì)子通過(guò)材料，使其成為氟化離聚物作為PEM材料的潛在替代品。

與固體氧化物燃料電池(SOFC)等其他類型的燃料電池相比，PEMFC具有一些優(yōu)勢(shì)。PEMFC在較低溫度下運(yùn)行，更輕且更緊湊，這使其成為汽車等應(yīng)用的理想選擇。然而，一些缺點(diǎn)是：~80°C的工作溫度對(duì)于像SOFC那樣的熱電聯(lián)產(chǎn)來(lái)說(shuō)太低了，而且PEMFC的電解質(zhì)必須是水飽和的。然而，包括豐田Mirai在內(nèi)的一些燃料電池汽車在沒(méi)有加濕器的情況下運(yùn)行，依靠快速的水生成和通過(guò)薄膜的高速反向擴(kuò)散來(lái)維持膜的水合，以及催化劑層中的離聚物.高溫PEMFC在100°C和200°C之間運(yùn)行，可能會(huì)在電極動(dòng)力學(xué)和熱管理方面帶來(lái)好處，并更好地耐受燃料雜質(zhì)，尤其是重整油中的CO。這些改進(jìn)可能會(huì)導(dǎo)致更高的整體系統(tǒng)效率。然而，這些收益尚未實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?a href='https:///31610/' target='_blank'>金標(biāo)準(zhǔn)全氟磺酸(PFSA)膜在100°C及以上溫度下，如果水合作用降至約100%以下會(huì)迅速失去功能，并在此溫度范圍內(nèi)開始蠕變，導(dǎo)致局部變薄和整體較低的系統(tǒng)壽命。因此，積極研究新的無(wú)水質(zhì)子導(dǎo)體，如質(zhì)子有機(jī)離子塑料晶體(POIPC)和質(zhì)子離子液體，以開發(fā)合適的PEM。PEMFC的燃料是氫，電荷載體是氫離子（質(zhì)子）。在陽(yáng)極，氫分子分裂成氫離子（質(zhì)子）和電子。氫離子通過(guò)電解質(zhì)滲透到陰極，而電子流過(guò)外部電路并產(chǎn)生電能。氧氣，通常以空氣的形式，被供應(yīng)到陰極并與電子和氫離子結(jié)合產(chǎn)生水。電極上的反應(yīng)如下：陽(yáng)極反應(yīng)：2H2→4H++4e?陰極反應(yīng)：O2+4H++4e?→2H2O整個(gè)電池反應(yīng)：2H2+O2→2H2O+熱+電能總的理論放熱電位為+1.23V。

質(zhì)子交換膜的主要應(yīng)用是質(zhì)子交換膜燃料電池。這些燃料電池具有廣泛的商業(yè)和軍事應(yīng)用，包括航空航天、汽車和能源行業(yè)。早期的質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用主要集中在航空航天工業(yè)。與電池相比，當(dāng)時(shí)更高容量的燃料電池使其成為理想的選擇，因?yàn)镹ASA的雙子座計(jì)劃開始瞄準(zhǔn)比以前嘗試的更長(zhǎng)時(shí)間的太空任務(wù)。汽車行業(yè)以及個(gè)人和公共發(fā)電是當(dāng)今質(zhì)子交換膜燃料電池的xxx市場(chǎng)。PEM燃料電池在汽車應(yīng)用中很受歡迎，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鳒囟认鄬?duì)較低，并且即使在低于冰點(diǎn)的條件下也能快速啟動(dòng)。截至2019年3月，美國(guó)道路上有6,558輛燃料電池汽車，其中豐田Mirai是最受歡迎的車型。加州以43個(gè)加氫站xxx美國(guó)，加州能源委員會(huì)在2023年之前每年可以獲得2000萬(wàn)美元的資金來(lái)擴(kuò)大覆蓋范圍。PEM燃料電池也已成功應(yīng)用于其他形式的重型機(jī)械，巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司提供基于該技術(shù)的叉車。聚合物電解質(zhì)膜電解是一種利用質(zhì)子交換膜將水分解成氫氣和氧氣的技術(shù)。質(zhì)子交換膜允許將產(chǎn)生的氫氣與氧氣分離，允許根據(jù)需要開發(fā)任何一種產(chǎn)品。該過(guò)程已被廣泛用于為美國(guó)和皇家海軍潛艇等船只的生命支持系統(tǒng)生成氫燃料和氧氣。最近的一個(gè)例子是在魁北克建設(shè)一個(gè)20兆瓦的液化空氣PEM電解廠。類似的基于PEM的設(shè)備可用于臭氧的工業(yè)生產(chǎn)。