近日，北京航空航天大学能源与动力工程学院能源电化学工程团队在《Nature Energy》期刊发表最新研究成果，报道一种新型超薄动态交联膜，创建了高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）性能新的世界纪录，标志着HT-PEMFC首次在功率输出与耐久性上同时迈入可与低温体系正面竞争的全新阶段，为高功率、长寿命HT-PEMFC技术的实际应用扫清了最核心的材料障碍。本文第一作者为北京航空航天大学能源与动力工程学院博士生张振国，通讯作者北京航空航天大学能源与动力工程学院卢善富教授、相艳教授和张劲副教授。
高温质子交换膜燃料电池凭借140–200°C的工作温度区间，天然具备对燃料杂质的高耐受性以及简化的水热管理优势，在重载交通、船舶与航空动力领域备受期待。然而，其实际功率密度长期大幅落后于低温质子交换膜燃料电池，核心瓶颈在于电解质膜的设计困境。传统HT-PEMFC依赖磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜（PA/PBI）传导质子。磷酸虽提供了高温无水质子传导能力，却会严重塑化PBI基体，使膜的力学性能急剧降低。为维持可用的机械强度，这类膜厚度通常需保持在50μm以上，导致电池内部欧姆阻抗居高不下，极化损失严重，输出功率密度长期难以突破。如何在减薄膜厚、降低内阻的同时，依然能束缚住磷酸、维持高温下的机械完整性与长期运行稳定性，成为HT-PEMFC向高功率化迈进的一个全局性难题。
针对上述挑战，卢善富教授团队创新性地提出一种动态Cu2+离子交联策略，即通过向PBI基体中引入铜离子，使其与苯并咪唑基团上的氮位点形成动态可逆的Cu-N配位交联网络，从而构建出强韧的Cu-PBI薄膜（图1）。这一设计在突破传统共价键/离子键交联结构限制的同时，带来了力学性能与传导保留能力的双重革新。
图1 用于高温质子交换膜燃料电池的薄型动态铜离子交联膜设计
厘清动态交联机制
传统交联策略通常采用不可逆刚性键来增强机械强度，但这不可避免地会增加脆性，导致膜电极组装时在应力下破裂。相比之下，Cu-PBI网络中的Cu-N键强度高，且在高温下可发生可逆解离（图2）。Cu-N交联点在受力时可断裂并重构，使薄膜同时获得超乎寻常的高强度与延展性，从而允许膜厚大幅减薄至前所未有的水平，直接从源头上削减欧姆极化损失。此外，该动态网络还赋予薄膜自修复能力，为应对苛刻工况下的局部损伤提供了额外保障。这种快速、动态的键交换行为赋予Cu-PBI膜以独特的力学特性。
图2 动态铜-氮配位结构与自修复性能
克服质子传导与磷酸保留的“跷跷板效应”
铜离子的引入进一步在质子传导与磷酸保留两方面发挥了协同作用（图3）。在质子传导方面，高电荷密度的Cu中心作为路易斯酸位点，极化磷酸分子中的P-O-H键，加速质子解离。另外，膜内形成的相分离结构促使磷酸富集并构建连续传导通道，从而在宽温域内实现高效质子传输。在磷酸保留方面，铜离子显著增强了膜与磷酸之间的相互作用，使得磷酸在压缩、热循环及高湿暴露等典型燃料电池工况下的流失被有效抑制，电导率稳定性远优于传统PA/PBI膜。由此，该策略成功实现了高效稳定的质子传导。
图3 高效稳定质子传导
实现创纪录的燃料电池性能
基于该策略制备的20微米PA/Cu-PBI膜拉伸强度达21.7 MPa，欧姆电阻低至0.06 Ω·cm2，而氢气渗透极限电流密度仅0.95 mA·cm-2（图4）。此外，该膜在模拟膜电极组件工作的条件下实现了膜内部裂纹的自动修复。搭载该膜的单电池在200 °C、H2/O2和1.5 bar背压下的峰值功率密度达到3.08 W·cm-2，且在160 °C、H2/空气和1.0 A·cm-2的实际应用条件下稳定运行超过500小时无显著性能衰减。
图4 动态铜离子交联膜的性能表征
该研究成功解决了超薄磷酸掺杂膜机械强度差、氢气渗透高和酸流失严重等长期存在的难题，为高功率密度、高耐久性高温质子交换膜燃料电池的实用化提供了关键材料基础。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京市科技新星计划等项目的资助。
附：团队及作者简介
北京航空航天大学能源与动力工程学院能源电化学工程团队长期从事高温聚合物电解质膜燃料电池、电化学能源系统等方向的研究。近年来，团队围绕高温质子交换膜的分子设计、离子传导机制、界面工程及燃料电池系统集成开展了系统性的创新工作，在《Nature Energy》、《Advanced Materials》、《Chemical Engineering Science》和《Engineering》等国际顶级期刊发表300余篇高水平论文，并实现甲醇重整高温质子交换膜燃料电池的产业化应用。
张振国，北京航空航天大学能源与动力工程学院2021级博士。研究方向为燃料电池关键材料，在Nat. Energy、J. Membr. Sci.等期刊发表多篇研究成果。
张劲，北京航空航天大学能源与动力工程学院副教授、硕士生导师。2016年获得澳大利亚科廷大学化学工程博士学位后加入北京航空航天大学，北京市科技新星、北京大兴新国们领军人才、北京航空航天大学青年拔尖人才。研究方向为燃料电池器件及系统，聚焦于甲醇重整燃料电池关键材料的研发与产业化，承担国家自然科学基金和北京市自然科学基金等科研项目8项，在Nat. Energy、Angew.Chem.Int. Ed.、Engineering等期刊发表论文70余篇，出版译著1部，英文章节3章，授权中国发明专利5项，完成专利转化1项。
相艳，北京航空航天大学能源与动力工程学院教授，博士生导师，国家优青，仿生能源与器件北京市重点实验室主任，英国皇家化学会会士，中国化学会电化学专委会副主任委员。长期从事先进电化学能源转换材料与器件的研究工作，作为项目负责人先后主持国家自然科学基金重点和国家重点研发等项目，在材料、化学和工程领域期刊发表学术论文200余篇，获授权国家发明专利十余项，作为第一完成人荣获中国能源研究会能源创新二等奖。已建成国内首台套全自主可控高温膜质子交换膜燃料电池堆生产线，形成了相关技术系列学术成果与产业化工艺包。论文发表在Nat. Energy、Adv. Mater.等国际专业知名学术期刊。
卢善富，北京航空航天大学能源与动力工程学院教授，博士生导师，国家级青年人才，北京市高层次创新人才。2008年6月毕业于武汉大学物理化学专业，获得理学博士学位，随后进入新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作，之后于2009年12月加入北京航空航天大学。担任中国可再生能源学会青年工作委员会理事以及《化学学报》、《Engineering》等期刊编委。长期从事新型聚合物电解质膜燃料电池和液流电池关键材料与器件集成的研究，在高温质子交换膜燃料电池、双极界面燃料电池方面形成了鲜明的研究特色。作为项目负责人承担国家科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金联合基金和面上项目等课题10余项。在Nat. Energy、PNAS、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国内外顶级学术期刊上发表学术论文200余篇，他引10000余次。申请发明专利30余项，授权18项，完成专利转化1项，并实现甲醇重整燃料电池发电系统的产业化。曾获教育部自然科学奖二等奖、中国能源学会新能源创新奖二等奖等学术奖励。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-026-02049-y
