一、質子交換膜燃料電池（PEMFC）

該技術是General?Electric公司在20世紀50年代發明的，被NASA用來為其Gemini空間項目提供動力。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燃機。質子交換膜燃料電池有時也叫聚合物電解質膜，或固態聚合物電解質膜，或聚合物電解質膜燃料電池。 下圖顯示了質子交換膜燃料電池的基本設計。


在質子交換膜燃料電池中，電解質是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly[perfluorosulphonic]acid），和質子能夠滲透但不導電的NafionTM?，而電極基本由碳組成。氫流入燃料電池到達陽極，裂解成氫離子（質子）和電子。氫離子通過電解質滲透到陰極，而電子通過外部網路流動，提供電力。以空氣形式存在的氧供應到陰極，與電子和氫離子結合形成水。在電極上的這些反應如下：
質子交換膜燃料電池以磺酸型質子交換膜為固體電解質,無電解質腐蝕問題，能量轉換效率高，無污染，可室溫快速啟動。質子交換膜燃料電池在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應用前景，尤其是電動車的最佳驅動電源。它已成功地用于載人的公共汽車和奔馳轎車上。?
???質子交換膜燃料電池的工作原理如下：
陽極：2H2?→?4H+?+?4e-?
??????陰極：O2?+?4H+?+?4e-?→?2?H2O
???????整體：2H2?+?O2?→?2?H2O?+?能量?

????燃料電池工程中心制備和小批量生產PEMFC的Pt/C?、Pt-Ru/C電催化劑、電極、膜電極三合一(EMAS)和電池雙極板等關鍵組件；研制和生產各種規格的電池組；進行PEMFC?電動車裝車試驗并研制以PEMFC為動力的電動車發動機。已掌握了一系列PEMFC?的關鍵技術，申請了十四項國家發明專利。成功地研制出100W?～5KW的各種規格的電池組,?電池額定輸出功率密度≥0.35W/cm2?。目前千瓦級PEMFC技術已經成熟具備了商業開發的條件，同時在質子交換膜燃料電池氫源開發方面取得了重大進展。
　　質子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學反應能正常地緩慢進行，通常用每個電極上的一層薄的白金進行催化。
　　這種電極/電解質裝置通常稱做膜電極裝配（MEA），將其夾在二個場流板中間便能構成燃料電池。這二個板上都有溝槽，將燃料引導到電極上，也能通過膜電極裝配導電。每個電池能產生約0.7伏的電，足夠供一個照明燈泡使用。驅動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個單個的電池串聯起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲器。
???由于?PEMFC?使用濕潤化?Nafion?型高分子膜作為電解質層，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?CO?的抵抗力減弱，造成燃料氣體中的?CO?濃度需要嚴格的限制。然而?Nafion?膜的質子傳輸效率極佳，因而可提高反應使用的電流密度，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、激活快與機組材料選擇性大等各項優點。
　??也因為前述的各特性，PEMFC?目前正積極應用于車輛動力系統、現場型發電機組與小型攜帶式電力裝置上。前兩種應用，因需考慮燃料處理設備導致系統較為復雜，且須與造價較低的傳統技術競爭，故短期內尚無法商業化。但在小型攜帶電力方面，如筆記型計算機、無線電話、攝錄像機等大多采用高價值的鎳氫或鋰電池的部分，PEMFC?則有機會與之競爭。


????質子交換膜燃料電池擁有許多特點，因此成為汽車和家庭應用的理想能源，它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作，因此能在嚴寒條件下迅速啟動。其電力密度較高，因此其體積相對較小。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，而且能快速地根據用電的需求而改變其輸出。 　　目前，能產生50kW電力的示范裝置業已在使用，能產生高達250?kW的裝置也正在開發。當然，要想使該技術得到廣泛應用，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，因為膜材料和催化劑均十分昂貴。不過人們進行的研究正在不斷地降低成本，一旦能夠大規模生產，比價的經濟效益將會充分顯示出來。 　　
????另一個大問題是這種電池需要純凈的氫方能工作，因為它們極易受到一氧化碳和其它雜質的污染。這主要是因為它們在低溫條件下工作時，必需使用高敏感的催化劑。當它們與能在較高溫度下工作的膜一起工作時，必須產生更易耐受的催化劑系統才能工作。