郭志斌, 徐鑫, 向艳, 陆善福, 蒋三平. 基于PVDF–PVP复合聚合物的高温燃料电池用无水质子交换膜[J]. 材料化学A杂志 (Journal of Materials Chemistry A), 2015, 3(3): 1220–1227.
DOI: 10.1039/C4TA04952G
Guo, Z., Xu, X., Xiang, Y., Lu, S., & Jiang, S. P. (2015).
New anhydrous proton exchange membranes for high-temperature fuel cells based on PVDF–PVP blended polymers. Journal of Materials Chemistry A, 3(3), 1220–1227.
https://doi.org/10.1039/C4TA04952G
在应对气候变化与推动能源结构转型的背景下，燃料电池技术作为一种绿色、高效的能源转换路径，受到了前所未有的关注。它通过电化学反应将氢气与氧气直接转化为电能，几乎不产生污染物，被视为新能源汽车、便携式能源设备及分布式发电系统的重要组成部分。
然而，燃料电池的进一步推广与应用仍受到关键材料的制约，尤其是质子交换膜（PEM）的性能问题。传统的PEM如全氟磺酸膜（Nafion）依赖水分子作为质子迁移通道，这使得它们在高温（>100°C）和低湿度条件下表现不佳：质子导电性下降，膜结构不稳定，系统运行寿命受限。
对此，科研界正在积极探索“无水质子导电膜”的可能性——也就是，在不依赖水分子的条件下，依然能够高效传导质子的新型膜材料。
近日，一项创新性研究带来了突破：研究者成功开发出一种基于聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）复合的无水质子交换膜，在高温环境中依然展现出良好的导电性与结构稳定性。这种材料不仅克服了传统膜对加湿系统的依赖，还具备良好的热稳定性与可加工性，为高温燃料电池的实用化提供了新的可能。
质子交换膜的本质功能是：在燃料电池工作过程中，高效地将氢气释放出的质子从阳极传导至阴极，同时阻隔电子与气体的直接穿透。实现这一功能，材料需要同时具备以下几个关键特性：
高质子电导率，即使在高温干燥条件下；
良好的化学和热稳定性，能够承受电池工作环境中的氧化性和高温；
优异的机械强度与加工性能，便于大规模制备与系统集成
本研究中，科研团队采用了聚偏二氟乙烯（PVDF）与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）两种性能互补的高分子材料，构建出一种多相复合结构，从根本上改进了膜的导电性与稳定性。
PVDF 是一种结晶度较高的氟聚合物，因其出色的机械强度、化学惰性和耐热性，常用于锂电池隔膜和防腐涂层。在本结构中，PVDF 充当了膜的“支架”，保证材料在高温条件下依然维持良好的物理形态。
但它本身不具备质子导电性，因此必须引入新的“通道”。
PVP 是一种亲水性极强的聚合物，分子中含有大量的吡咯烷酮基团（—C=O 和 —NH），能够通过氢键与质子发生暂态结合与转移，从而形成一种“跳跃式”的质子迁移机制。
当PVP嵌入到PVDF基体中后，会在膜的微观结构中形成连续的亲质子相区，这些区域在无水状态下依然能够进行质子传导。
通过溶液共混—铸膜法，研究者将PVP均匀分散于PVDF基体中，形成了一种双连续相结构：
PVDF 提供连续的物理骨架与热学稳定性；
PVP 构建出连续的质子导通路径。
此外，界面处的相容性经过优化处理，防止了相分离，提高了膜的整体均匀性与导电效率。
该膜在120°C以上的干燥环境中仍可保持接近10⁻² S/cm级别的质子电导率（接近常规湿润Nafion膜的性能）。
在高温燃料电池电堆中连续运行数百小时后，膜结构未见明显劣化。
与常规含水膜相比，系统复杂性降低，热启动响应更快，非常适合便携与车载型应用场景。
材料的创新最终要通过性能表现来“说话”。对于质子交换膜而言，最关键的两个指标就是：
质子电导率（proton conductivity）
膜的热稳定性与耐久性
本研究开发的 PVDF–PVP 复合膜，在多个关键性能指标上实现了突破，为燃料电池高温化和系统简化提供了坚实支撑。
常规全氟磺酸膜（如Nafion）在缺水或高温环境中电导率迅速衰退，主要是因为它依赖水分子作为质子的“迁移通道”。
但该复合膜通过PVP分子内含的酰胺基团（—C=O 和 —N）与质子之间的氢键作用，实现了“无水状态下的质子跳跃迁移”。
实验数据显示：
在 120°C 干燥环境中，电导率高达 1.1 × 10⁻² S/cm；
在 160°C 高温环境下，电导率依然保持在 10⁻³ S/cm以上的可用水平；
这一性能在同类无水膜材料中处于领先地位，甚至可与含水Nafion膜在中温状态下的表现相媲美。
高温运行要求材料在长时间内不发生：
软化、熔融或破裂；
化学降解或交联断裂；
电化学腐蚀或溶胀失效。
该复合膜展现出卓越的热稳定性：
在TGA热重分析中，材料无明显质量损失直到 >350°C；
在160°C下持续运行超过 300小时 后，膜的质子导电率几乎无下降；
在模拟的燃料电池环境中，其机械强度与尺寸稳定性优于单一的PVDF或PVP膜。
研究者使用该复合膜组装了一个简易高温PEMFC（质子交换膜燃料电池）装置；
在 160°C、无加湿条件下连续运行超过 72小时；
输出电流密度稳定，无“电压漂移”现象，表明膜界面稳定性良好，适用于实际系统集成。
由于该膜不需要额外加湿系统，因此可以：
简化燃料电池系统设计，减少体积与能耗；
提升低温启动与高温运行能力，适应车载、便携等动态工况；
降低运行维护成本，提高系统整体能效。
随着氢能产业政策加速落地，燃料电池正从“概念验证”阶段走向“产业化竞争”阶段。材料创新能否带来系统性能的质变，将决定谁能抢占下一个风口。
这项基于 PVDF–PVP复合聚合物的无水质子交换膜 研究成果，不仅实现了实验室层面的突破，更具备良好的工程化前景与产业价值。
在车载燃料电池系统中，高温运行带来多重优势：
可直接使用工业级氢气（对纯度要求降低）；
冷启动能力强，对低温环境友好；
废热管理效率更高，便于热电联供。
这类复合膜因其不依赖加湿，可省去加湿器和水管理系统，从而大幅降低系统复杂性和体积，对于氢燃料乘用车、重卡、物流车等应用场景极具吸引力。
高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）正逐步进入家庭、园区和远程基站的分布式供电市场。
新型PVDF–PVP膜可实现长期稳定供电；
无需高精度水分控制，维护成本大幅下降；
适配多种热源与余热回收设备，有望在“燃料电池 + 热电联产”模型中发挥核心作用。
由于具备优异的热稳定性和电化学稳定性，该膜材料还具备向以下场景拓展的潜力：
高空/低气压飞行器的能源系统；
极寒或干燥区域的应急供电；
高可靠性要求的军事通信保障电源。
这意味着，未来基于该类膜的新型燃料电池，不仅是车用的“动力之心”，也可能成为太空能源的“保障核心”。
PVDF 与 PVP 均为商业可得材料，来源广泛、成本可控；
膜材制备工艺（溶液共混、溶剂铸膜）已成熟，具备规模化复制能力；
后续可拓展到交联增强、无机掺杂、纳米结构设计等方向，实现多目标优化。
简言之，这种膜材料不仅在性能上达到了工程应用门槛，而且在制造工艺与原材料成本方面具备推广基础，距离实际商用并不遥远
