該技術(shù)是General Electric公司在20世紀(jì)50年代發(fā)明的，被NASA用來為其Gemini空間項(xiàng)目提供動(dòng)力。目前這種燃料電池是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電池，用來取代原來使用的內(nèi)燃機(jī)。質(zhì)子交換膜燃料電池有時(shí)也叫聚合物電解質(zhì)膜，或固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜，或聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。

　　下圖顯示了質(zhì)子交換膜燃料電池的基本設(shè)計(jì)

　　在質(zhì)子交換膜燃料電池中，電解質(zhì)是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly[perfluorosulphonic]acid），和質(zhì)子能夠滲透但不導(dǎo)電的NafionTM ，而電極基本由碳組成。氫流入燃料電池到達(dá)陽極，裂解成氫離子（質(zhì)子）和電子。氫離子通過電解質(zhì)滲透到陰極，而電子通過外部網(wǎng)路流動(dòng)，提供電力。以空氣形式存在的氧供應(yīng)到陰極，與電子和氫離子結(jié)合形成水。在電極上的這些反應(yīng)如下：

　　陽極：2H2→ 4H+ + 4e-

　　陰極：O2 + 4H+ + 4e- → 2 H2O

　　整體：2H2 + O2→ 2 H2O + 能量

　　質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進(jìn)行，通常用每個(gè)電極上的一層薄的白金進(jìn)行催化。

　　這種電極/電解質(zhì)裝置通常稱做膜電極裝配（MEA），將其夾在二個(gè)場流板中間便能構(gòu)成燃料電池。這二個(gè)板上都有溝槽，將燃料引導(dǎo)到電極上，也能通過膜電極裝配導(dǎo)電。每個(gè)電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個(gè)照明燈泡使用。驅(qū)動(dòng)一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個(gè)單個(gè)的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲(chǔ)器。

　?。?）能量轉(zhuǎn)化效率高。通過氫氧化合作用，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不通過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)的限制。

　　（2）可實(shí)現(xiàn)零排放。其唯一的排放物是純凈水（及水蒸氣），沒有污染物排放，是環(huán)保型能源。

　?。?）運(yùn)行噪聲低，可靠性高。PEMFC電池組無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)僅有氣體和水的流動(dòng)。

　?。?）維護(hù)方便。PEMFC內(nèi)部構(gòu)造簡單，電池模塊呈現(xiàn)自然的“積木化”結(jié)構(gòu)，使得電池組的組裝和維護(hù)都非常方便；也很容易實(shí)現(xiàn)“免維護(hù)”設(shè)計(jì)。

　　（5）發(fā)電效率受負(fù)荷變化影響很小，非常適合于用作分散型發(fā)電裝置（作為主機(jī)組），也適于用作電網(wǎng)的“調(diào)峰”發(fā)電機(jī)組（作為輔機(jī)組）。

　?。?）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?？赏ㄟ^石油、天然氣、甲醇、甲烷等進(jìn)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。

　?。?）氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等技術(shù)目前均已非常成熟、安全、可靠。

　　燃料電池使用氫氣為燃料。在近5—10年內(nèi)，氫氣的來源可能仍以化石燃料重整制氫為主；但從長遠(yuǎn)來說，人們更傾向于將氫氣視為儲(chǔ)能載體，氫氣來源將主要依靠可再生的能源資源。在人類社會(huì)進(jìn)入氫能經(jīng)濟(jì)時(shí)代后，氫能將主要來自太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、潮汐能以及生物能。太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、潮汐能將大?guī)模用于發(fā)電并用于電解水，從而大量地將這些不可直接存儲(chǔ)的能量以氫能形式存儲(chǔ)起來，供人們需要時(shí)使用；此外，通過生物制氫的方法，城市和農(nóng)村地區(qū)可以從有機(jī)垃圾和植物體中獲取大量的生物能（如甲烷）。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　1、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；

　　2、發(fā)電時(shí)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(shí)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。

　　3、質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等

　　4、被公認(rèn)為電動(dòng)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(dá)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(duì)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池的使用壽命。

　　缺點(diǎn)：

　　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(dǎo)致成本較高；

　　2、對(duì)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(huì)使其含水量急劇降低，導(dǎo)電性迅速下降，阻礙了通過適當(dāng)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?xì)浠衔?，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)子交換膜燃料電池應(yīng)用十分廣泛。實(shí)際上，凡是需要能源、動(dòng)力的地方都可以應(yīng)用PEMFC。質(zhì)子交換膜燃料電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域可分為以下三大類：

　　一是用作便攜電源、小型移動(dòng)電源、車載電源、備用電源、不間斷電源等，適用于軍事、通訊、計(jì)算機(jī)、地質(zhì)、微波站、氣象觀測站、金融市場、醫(yī)院及娛樂場所等領(lǐng)域，以滿足野外供電、應(yīng)急供電以及高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。

　　PEMFC電源的功率最小的只有幾瓦，如手機(jī)電池。據(jù)報(bào)道，PEMFC手機(jī)電池的連續(xù)待機(jī)時(shí)間可達(dá)1000小時(shí)，一次填充燃料的通話時(shí)間可達(dá)100小時(shí)（摩托羅拉）。適用于便攜計(jì)算機(jī)等便攜電子設(shè)備的PEMFC電源的功率范圍大致在數(shù)十瓦至數(shù)百瓦（東芝）。軍用背負(fù)式通訊電源的功率大約為數(shù)百瓦級(jí)。衛(wèi)星通訊車用的車載PEMFC電源的功率一般為數(shù)千瓦級(jí)。

　　二是可用作助動(dòng)車、摩托車、汽車、火車、船舶等交通工具動(dòng)力，以滿足環(huán)保對(duì)車輛船舶排放的要求。

　　PEMFC的工作溫度低，啟動(dòng)速度較快，功率密度較高（體積較小）因此，很適于用作新一代交通工具動(dòng)力。這是一項(xiàng)潛力十分巨大的應(yīng)用。由于汽車是造成能源消耗和環(huán)境污染的首要原因，因此，世界各大汽車集團(tuán)競相投入巨資，研究開發(fā)電動(dòng)汽車和代用燃料汽車。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力源，PEMFC電動(dòng)車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)車的未來發(fā)展方向。燃料電池將會(huì)成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力系統(tǒng)。PEMFC可以實(shí)現(xiàn)零排放或低排放；其輸出功率密度比目前的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率密度高得多，可達(dá)1.4KW/公斤或1.6KW/升。

　　用作電動(dòng)自行車、助動(dòng)車和摩托車動(dòng)力的PEMFC系統(tǒng)，其功率范圍分別是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游覽車、城市工程車、小轎車等輕型車輛用的PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)的功率一般為10-60KW。公交車的功率則需要100-175KW。

　　PEMFC用作潛艇動(dòng)力源時(shí)，與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及閉式循環(huán)柴油機(jī)相比，具有效率高、噪聲低和低紅外輻射等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高潛艇隱蔽性、靈活性和作戰(zhàn)能力有重要意義。美國、加拿大、德國、澳大利亞等國海軍都已經(jīng)裝備了以PEMFC為動(dòng)力的潛艇，這種潛艇可在水下連續(xù)潛行一個(gè)月之久。

　　三是可用作分散型電站。PEMFC電站可以與電網(wǎng)供電系統(tǒng)共用，主要用于調(diào)峰；也可作為分散型主供電源，獨(dú)立供電，適于用作海島、山區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)或新開發(fā)地區(qū)電站。

　　與集中供電方式相比，分散供電方式有較多的優(yōu)點(diǎn)：（1）可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)；（2）有利于熱電聯(lián)供（由于PEMFC電站無噪聲，可以就近安裝，PEMFC發(fā)電所產(chǎn)生的熱可以進(jìn)入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達(dá)80％以上；（3）受戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害等的影響比較?。唬?）通過天然氣、煤氣重整制氫，使得可利用現(xiàn)有天然氣、煤氣供氣系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施為PEMFC提供燃料，通過生物制氫、太陽能電解制氫方法則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于廣大的農(nóng)村地區(qū)和邊遠(yuǎn)地區(qū)），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本大大降低。因此，PEMFC電站的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性均很好。國際上普遍認(rèn)為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展分散型電站將是一個(gè)趨勢。

　　綜上所述：質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用前景廣闊，市場潛力巨大，對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。鑒于其重要性，燃料電池已經(jīng)被美國列為使美國保持經(jīng)濟(jì)繁榮和國家安全而必須發(fā)展的27項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，并被美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家認(rèn)定為21世紀(jì)首選的清潔能源系統(tǒng)。2000年，燃料電池還被美國《時(shí)代》周刊評(píng)為21世紀(jì)對(duì)人類社會(huì)有重要影響的十大技術(shù)之一。