質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)，采用高分子膜作為固態(tài)電解質(zhì)，具有能量轉(zhuǎn)換率高、低溫啟動(dòng)、無(wú)電解質(zhì)泄露等特點(diǎn)，被廣泛用于輕型汽車、便攜式電源以及小型驅(qū)動(dòng)裝置。

PEMFC除了具有燃料電池的一般特點(diǎn)之外，還具有其他突出的優(yōu)點(diǎn)：工作電流大，比功率高，可達(dá)到1kW/kg;使用固體電解質(zhì)膜，能夠有效避免腐蝕問題和電解液泄露;工作溫度低，可在-30°C環(huán)境下啟動(dòng);啟動(dòng)速度快，幾秒鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng);組成簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、重量小，便于攜帶;由于沒有運(yùn)動(dòng)部件，工作噪音低;壽命長(zhǎng)等。

PEMFC的工作原理[7]。以H2/O2燃料電池為例，陽(yáng)極催化層中的氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)解離成氫離子和電子，其中，產(chǎn)生的電子在電勢(shì)的作用下經(jīng)外電路到達(dá)陰極，氫離子則經(jīng)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在陰極上，氧氣結(jié)合氫離子及電子發(fā)生還原反應(yīng)生成水，生成的水通過電極隨反應(yīng)尾氣排出。反應(yīng)方程為：

質(zhì)子交換膜是PEMFC的核心部件。其作用是：

(1)分隔陽(yáng)極和陰極，阻止燃料和空氣直接混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng);

(2)傳導(dǎo)質(zhì)子，質(zhì)子傳導(dǎo)率越高，膜的內(nèi)阻越小，燃料電池的效率越高;

(3)電子絕緣體，阻止電子在膜內(nèi)傳導(dǎo)，從而使燃料氧化后釋放出的電子只能由陽(yáng)極通過外線路向陰極流動(dòng)，產(chǎn)生外部電流以供使用。

質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜(PEM)是PEMFC中的核心部件之一，它和電極一起決定了整個(gè)PEMFC的性能、壽命和價(jià)格。用于PEMFC的質(zhì)子交換膜必須滿足下述要求[8,9]：

(1)較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率(燃料電池工作條件下);

(2)氣體或燃料的滲透性低，從而阻隔燃料和氧化劑;

(3)水的電滲系數(shù)小;

(4)較好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性;

(5)良好的機(jī)械強(qiáng)度;

(6)較低的成本。

到目前為止，人們已經(jīng)開發(fā)出了大量的PEM材料。從膜的結(jié)構(gòu)來(lái)看，PEM大致可分為三大類：磺化聚合物膜，復(fù)合膜，無(wú)機(jī)酸摻雜膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物電解質(zhì)，按照聚合物的含氟量可分為全氟磺酸質(zhì)子交換膜、部分氟化質(zhì)子交換膜以及非氟質(zhì)子交換膜等。