一、質(zhì)子交換膜燃料電池（pEMFC）

該技術(shù)是GeneralElectric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(yáng)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：

質(zhì)子交換膜燃料電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì),無電解質(zhì)腐蝕問題，能量轉(zhuǎn)換效率高，無污染，可室溫快速啟動(dòng)。質(zhì)子交換膜燃料電池在固定電站、電動(dòng)車、特種特種電源、可移動(dòng)電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是電動(dòng)車的最佳驅(qū)動(dòng)電源。它已成功地用于載人的公共汽車和奔馳轎車上。

質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理如下：

陽(yáng)極：2H2→4H++4e-

陰極：O2+4H++4e-→2H2O

整體：2H2+O2→2H2O+能量

燃料電池工程中心制備和小批量生產(chǎn)pEMFC的pt/C、pt-Ru/C電催化劑、電極、膜電極三合一(EMAS)和電池雙極板等關(guān)鍵組件；研制和生產(chǎn)各種規(guī)格的電池組；進(jìn)行pEMFC電動(dòng)車裝車試驗(yàn)并研制以pEMFC為動(dòng)力的電動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)。已掌握了一系列pEMFC的關(guān)鍵技術(shù)，申請(qǐng)了十四項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。成功地研制出100W～5KW的各種規(guī)格的電池組,電池額定輸出功率密度≥0.35W/cm2。目前千瓦級(jí)pEMFC技術(shù)已經(jīng)成熟具備了商業(yè)開發(fā)的條件，同時(shí)在質(zhì)子交換膜燃料電池氫源開發(fā)方面取得了重大進(jìn)展。

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(chǎng)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。

由于pEMFC使用濕潤(rùn)化Nafion型高分子膜作為電解質(zhì)層，因此操作溫度必須控制在100℃以下，此種低溫條件使電極中的白金觸媒對(duì)CO的抵抗力減弱，造成燃料氣體中的CO濃度需要嚴(yán)格的限制。然而Nafion膜的質(zhì)子傳輸效率極佳，因而可提高反應(yīng)使用的電流密度，再加上低溫與非腐蝕性的特性，使得此種電池具有重量輕、體積小、激活快與機(jī)組材料選擇性大等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

也因?yàn)榍笆龅母魈匦?，pEMFC目前正積極應(yīng)用于車輛動(dòng)力系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)型發(fā)電機(jī)組與小型攜帶式電力裝置上。前兩種應(yīng)用，因需考慮燃料處理設(shè)備導(dǎo)致系統(tǒng)較為復(fù)雜，且須與造價(jià)較低的傳統(tǒng)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，故短期內(nèi)尚無法商業(yè)化。但在小型攜帶電力方面，如筆記型計(jì)算機(jī)、無線電話、攝錄像機(jī)等大多采用高價(jià)值的鎳氫或鋰電池的部分，pEMFC則有機(jī)會(huì)與之競(jìng)爭(zhēng)。

質(zhì)子交換膜燃料電池?fù)碛性S多特點(diǎn)，因此成為汽車和家庭應(yīng)用的理想能源，它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作，因此能在嚴(yán)寒條件下迅速啟動(dòng)。其電力密度較高，因此其體積相對(duì)較小。此外，這種電池的工作效率很高，能獲得40-50%的最高理論電壓，而且能快速地根據(jù)用電的需求而改變其輸出。目前，能產(chǎn)生50kW電力的示范裝置業(yè)已在使用，能產(chǎn)生高達(dá)250kW的裝置也正在開發(fā)。當(dāng)然，要想使該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，仍然還有一系列的問題尚待解決。其中最主要的問題是制造成本，因?yàn)槟げ牧虾痛呋瘎┚职嘿F。不過人們進(jìn)行的研究正在不斷地降低成本，一旦能夠大規(guī)模生產(chǎn)，比價(jià)的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)充分顯示出來。

另一個(gè)大問題是這種電池需要純凈的氫方能工作，因?yàn)樗鼈儤O易受到一氧化碳和其它雜質(zhì)的污染。這主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)诘蜏貤l件下工作時(shí)，必需使用高敏感的催化劑。當(dāng)它們與能在較高溫度下工作的膜一起工作時(shí)，必須產(chǎn)生更易耐受的催化劑系統(tǒng)才能工作。