質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種采用可傳導質子的聚合膜作為電解質，將存在于燃料中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。

　　PEMFC的組成

　　PEMFC的核心組成部分主要包括陽極、陰極和質子交換膜，同時還包括氣體擴散層、催化劑層、雙極板（又稱集流板）等關鍵部件。

　　△PEMFC結構圖1

　　△PEMFC結構圖2

　　① 質子交換膜(PEM)

　　PEM是一種厚度僅為50~180um的固態聚合物隔膜，它兼具隔膜和電解質的作用，不但為質子傳遞提供通道，也能隔絕電子、隔離陽極的燃料與陰極的氧化劑。

　　PEM只容許氫離子(氫質子)通過，不容許氫分子及其他離子通過，其性能好壞將直接影響電池的性能和壽命。隨著燃料電池技術以及材料科學的發展，PEM的種類逐漸多元化，按照聚合物的含氟量可分為全氟磺酸質子交換膜、部分氟化質子交換膜以及無氟質子交換膜。

　　② 電極

　　質子交換膜燃料電池的電極是一種典型的多孔氣體擴散電極，通常由催化劑層、電解質和氣體擴散層組成。

　　電極的陽極是氫氣與催化劑的反應區域（氫的氧化反應HOR），陰極是氧氣與催化劑的反應區域（氧還原反應ORR）。

　　③催化劑層

　　為了加快電化學反應速度，燃料電池的催化劑層中含有高活性的催化劑，通常為Pt/C（鉑/碳），這是一種將鉑的納米顆粒分散到碳粉載體上的擔載型催化劑。

　　鉑作為稀有金屬價格昂貴，PEMFC對鉑基催化劑的依賴是其商業化進程緩慢的原因之一。此外，鉑基催化劑還存在催化性能下降等問題。為了降低催化劑的成本、提高催化劑的穩定性，低鉑催化劑（如鉑基合金催化劑）甚至非鉑催化劑（如非貴金屬催化劑和非金屬催化劑）的開發成為了未來發展趨勢。

　　④ 氣體擴散層

　　氣體擴散層(GDL)由基底層和微孔層構成。GDL的作用是氣體傳輸分配、電子傳導、支撐催化層以及參與水管理，它實現了反應氣體和產物水在催化層和雙極板的流場之間的分配和轉移。GDL的水管理是PEMFC研究的一大重點，它需要排除多余水的同時保持正常反應所需的相對濕度。

　　綜上，燃料電池對GDL有著較多的要求：如孔隙結構均勻，透氣性好；電阻率低，電子傳導能力強；機械強度高且柔韌性好；親水/疏水性合理；化學穩定性與熱穩定性好。

　　⑤ 膜電極

　　膜電極(MEA)是通過熱壓將陰極、陽極（包括氣體擴散層和催化層）與質子交換膜復合在一起形成的結構。膜電極與雙極板直接組成燃料電池電堆。

　　△膜電極結構圖

　　⑥雙極板

　　雙極板又叫雙極性集流板/集流板，它放置在膜電極的兩側，作用是分隔反應氣體、通過流場將反應氣體導入燃料電池中、收集并傳導電流、散熱、排水以及支撐膜電極。

　　雙極板需要具備良好的導電導熱能力、阻隔氣體的能力以及耐腐蝕性。

　　PEMFC的工作原理

　　①氫氣供應與陽極反應

　　氫氣通過加濕后，進入陽極室，并經過電極擴散層到達催化層和質子交換膜的界面。在陽極催化劑的作用下，氫氣發生氧化反應，被分解成氫離子（質子）和電子。氫離子通過質子交換膜傳遞到陰極，而電子則通過外部電路流動，形成電流。

　　②氧氣供應與陰極反應

　　氧氣（通常來自空氣）通過陰極進入反應區域，并經過電極擴散層到達催化層和質子交換膜的界面。在陰極催化劑的作用下，氧氣與從陽極傳遞過來的氫離子和電子發生還原反應，生成水。生成的水以水蒸氣或冷凝水的形式隨過剩的陰極反應氣體從陰極室排出。

　　③電流的產生與利用

　　電子從陽極通過外部電路流動到陰極的過程中，形成了電流。該電流可以用來驅動各種電子設備或做功。PEMFC的排放物僅為水，不會產生有害氣體排放。

　　PEMFC具有快速啟動、高效率、高能量密度、無污染排放等優點，其在交通工具、便攜式電子設備和住宅能源系統等領域具有廣泛的應用前景。

　　同時，PEMFC的商業化仍面臨諸多挑戰，如質子交換膜的壽命和穩定性有待提高，使用貴金屬催化劑面臨著成本難以削減的挑戰，氫氣的儲存和運輸問題也需要解決。未來，隨著技術不斷進步和政策的推動，相信PEMFC將在能源領域發揮越來越重要的作用。