概述
質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發
生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。
兩電極的反應分别為：
陽極(負極)：2H2-4e=4H+
陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O
注意所有的電子e都省略了負号上标。由于質子交換膜隻能傳導質子，因此氫質子可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子隻能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就産生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V之間。将多個單電池層疊組合就能構成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。
電堆由多個單體電池以串聯方式層疊組合而成。将雙極闆與膜電極三合一組件(MEA)交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、後端闆壓緊後用螺杆緊固拴牢，即構成質子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時應确保氣體主通道對正以便氫氣和氧氣能順利通達每一單電池。電堆工作時，氫氣和氧氣分别由進口引入，經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極闆，經雙極闆導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。
電堆的核心是MEA組件和雙極闆。MEA是将兩張噴塗有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分别置于經預處理的質子交換膜兩側，使催化劑靠近質子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極闆常用石墨闆材料制作，具有高密度、高強度，無穿孔性漏氣，在高壓強下無變形，導電、導熱性能優良，與電極相容性好等特點。常用石墨雙極闆厚度約2～3.7mm，經銑床加工成具有一定形狀的導流流體槽及流體通道，其流道設計和加工工藝與電池性能密切相關。
工作原理
燃料電池的工作過程實際上是電解水的逆過程，其基本原理早在1839年由英國律師兼物理學家威廉.羅泊特.格魯夫（William Robert Grove）提出，他是世界上第一位實現電解水逆反應并産生電流的科學家。一個半世紀以來，燃料電池除了被用于宇航等特殊領域外，極少受到人們關注。隻是到近十幾年來，随着環境保護、節約能源、保護有限自然資源的意識的加強，燃料電池才開始得到重視和發展。
PEMFC技術是目前世界上最成熟的一種能将氫氣與空氣中的氧氣化合成潔淨水并釋放出電能的技術：
1）氫氣通過管道或導氣闆到達陽極，在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子（即質子）并釋放出帶負電的電子。
2）氫離子穿過電解質（質子交換膜）到達陰極；電子則通過外電路到達陰極。電子在外電路形成電流，通過适當連接可向負載輸出電能。
3）在電池另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣闆到達陰極；在陰極催化劑作用下，氧與氫離子及電子發生反應生成水燃料電池有多種，各種燃料電池之間的區别在于使用的電解質不同。質子交換膜燃料電池以質子交換膜為電解質，其特點是工作溫度低（約70-800C），啟動速度快，特别适于用作動力電池。電池内化學反應溫度一般不超過80度，故稱為“冷燃燒”。
優點
（1）能量轉化效率高。通過氫氧化合作用，直接将化學能轉化為電能，不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制。
（2）可實現零排放。其唯一的排放物是純淨水（及水蒸氣），沒有污染物排放，是環保型能源。
（3）運行噪聲低，可靠性高。PEMFC電池組無機械運動部件，工作時僅有氣體和水的流動。
（4）維護方便。PEMFC内部構造簡單，電池模塊呈現自然的“積木化”結構，使得電池組的組裝和維護都非常方便；也很容易實現“免維護”設計。
（5）發電效率受負荷變化影響很小，非常适合于用作分散型發電裝置（作為主機組），也适于用作電網的“調峰”發電機組（作為輔機組）。
（6）氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛，是一種可再生的能源資源，取之不盡，用之不絕。可通過石油、天然氣、甲醇、甲烷等進行重整制氫；也可通過電解水制氫、光解水制氫、生物制氫等方法獲取氫氣。
（7）氫氣的生産、儲存、運輸和使用等技術目前均已非常成熟、安全、可靠。
應用
質子交換膜燃料電池作為車載新型動力源具有廣闊的應用前景而備受關注。流場闆是燃料電池的核心部件之一,起分配反應氣體、移除水分與雜質和傳導電子等作用。目前對質子交換膜燃料電池流場方面的研究,大多針對常規流道進行了尺寸和流場布置方式的優化,部分研究在流道内部添加不同形式的堵塊以增強氣體傳質,或将多孔介質材料應用于流場闆,或設計新型的三維網格流場結構,通過此類方式來優化燃料電池的水熱管理,強化傳質效果以提高燃料電池的性能。
居高不下的成本已成為車用質子交換膜燃料電池商業化的最大阻礙.其中,用于陰極氧還原反應的Pt基貴金屬催化劑的成本占比最高,降低Pt用量是控制燃料電池成本的關鍵。
發展概況
PEMFC研究開發領域的權威機構是加拿大的Ballard能源系統公司。1989年，該公司在加拿大國防部資助下，從美國國防部購買了燃料電池技術。經過十多年的研究開發，成功地研制出了多種系列的PEMFC。1994年以來，Ballard公司先後與奔馳、大衆、通用、福特、豐田、日産等著名汽車公司合作，開發出多種PEMFC汽車。
從1997年起，Ballard公司與奔馳、福特等公司共同投資建立了PEMFC發動機公司，在溫哥華和多倫多，年産20萬台電動車發動機的兩個生産企業已在建設之中，計劃2003年把PEMFC電動車正式推向市場。Ballard公司還與美國、法國的大型供電公司共同投資組建了合資企業，生産250KW級分散型PEMFC電站設備。這些公司的建立标志着PEMFC氫能源系統已走出實驗室，進入了加速産業化的階段。在美國，Plug-Power、H-Power等公司生産的以天然氣為燃料的5－10KW PEMFC小型電站已經投放市場，這種電站适用作家庭電站、應急電源、不間斷電源。
除美國、加拿大外，日本、德國、英國、意大利、俄羅斯等國以及一些著名跨國企業也加入了研制PEMFC系統和PEMFC電動車的行列。自2000年下半年石油價格問題引起各國嚴重關注以來，發達國家（特别是美國）都大大加強了對燃料電池技術商業化的投入，僅美國能源部的研究經費預算就超過1億美元，大大超出前一年度的預算；而且，研究重點具有明顯的産業化導向，如：相關材料部件，應用開發，行業标準，環境配套，發展戰略，市場策略等。
在我國，PEMFC和電動車被列入“九五”國家科技攻關計劃，氫能的規模制備、儲運及相關燃料電池的基礎研究”也已入選2000年“國家重點基礎研究項目”。PEMFC電動車還被列為面向産業化的國家“十五”“863”重大科技攻關專項和上海市“十五”重大科技攻關項目。
2010年，山東東嶽集團宣布，中國自主研發的氯堿用全氟離子膜、燃料電池膜實現國産化。曆經8年科研攻關，打破了美國、日本長期對該項技術的壟斷。與此同時，“東嶽”完成的用于制造燃料電池核心材料磺酸樹脂離子膜的年産500噸的生産裝置已經建成投産，解決了氫燃料電池生産的重大瓶頸，我國由此成為世界上第二個擁有該項技術和産業化能力的國家。
