質(zhì)子交換膜氫燃料電池工作原理
質(zhì)子交換膜氫燃料電池（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(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)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(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。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。
氫燃料電池兩電極的反應(yīng)分別為：
陽極（負極）：2H2 – 4e = 4H+
陰極（正極）：O2 + 4e + 4H+ = 2H2O注意所有的電子e都省略了負號上標。由于質(zhì)子交換膜只能傳導質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，而電子只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產(chǎn)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(fā)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。將多個單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆。
PEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質(zhì)子交換膜和其兩側(cè)各一片多孔氣體擴散電極（涂有催化劑的多孔碳布）組成的陰、陽極和電解質(zhì)的復合體。
電堆由多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。將雙極板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(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時應(yīng)確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，氫氣和氧氣分別由進口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板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(yīng)。
電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經(jīng)預(yù)處理的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，使催化劑靠近質(zhì)子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極板常用石墨板材料制作，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(yōu)良，與電極相容性好等特點。常用石墨雙極板厚度約2~3.7mm，經(jīng)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(shè)計和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。
質(zhì)子交換膜氫燃料電池優(yōu)點
質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點：e其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高；發(fā)電時不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。
質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等被公認為電動汽車、固定發(fā)電站等的首選能源。在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流，因此質(zhì)子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響電的使用壽命。
質(zhì)子交換類膜氫燃料電池存在下述缺點：
（1）制作困難、成本高，全氟物質(zhì)的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高；
（2）對溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為70~90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應(yīng)速度和克服催化劑中毒的難題；
（3）某些碳氫化合物，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池（DMFC）的質(zhì)子交換膜。
質(zhì)子交換膜氫燃料電池的應(yīng)用
質(zhì)子交換膜氫燃料電池發(fā)電作為新一代發(fā)電技術(shù)，其廣闊的應(yīng)用前景可與計算機技術(shù)相媲美。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)，質(zhì)子交換膜氫燃料電池用作汽車動力的研究已取得實質(zhì)性進展，微型質(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動電源已達到產(chǎn)品化程度，中、大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究也取得了一定成果。
采用質(zhì)子交換膜燃料電池氫能發(fā)電將大大提高重要裝備及建筑電氣系統(tǒng)的供電可靠性，使重要建筑物以市電和備用集中柴油電站供電的方式向市電與中、小型質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電裝置、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等分散電源聯(lián)網(wǎng)備用供電的靈活發(fā)供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，極大地提高建筑物的智能化程度、節(jié)能水平和環(huán)保效益。
