質(zhì)子交換膜燃料電池，也被稱為聚合物電解質(zhì)膜（PEM）的燃料電池（PEMFC），是一種類型的燃料電池正在開發(fā)運輸應(yīng)用程序，以及用于固定的燃料電池的應(yīng)用和便攜式燃料電池的應(yīng)用。及其特點包括較低的溫度/壓力范圍（50〜100℃）和一個特殊的高分子電解質(zhì)膜。他們是一個領(lǐng)先的候選人，以取代老化堿性燃料電池技術(shù)，這是用來在航天飛機。

    反應(yīng)
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    質(zhì)子交換膜燃料電池的電能，而不是直接燃燒氫氣和氧氣的氣體，以產(chǎn)生熱能的氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)過程中釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)換。
    氫甲流被傳遞到膜電極接合體（MEA）的陽極側(cè)的。在陽極側(cè)，它是催化分裂成質(zhì)子和電子。此氧化半電池反應(yīng)或氧化反應(yīng)中的氫（HOR）可表示為：在陽極：

    新形成的質(zhì)子通過高分子電解質(zhì)膜向陰極側(cè)滲透。電子沿外部負(fù)載電路的MEA 的陰極側(cè)的，這樣就產(chǎn)生電流的燃料電池輸出。同時，氧氣流被傳遞到陰極側(cè)的MEA。在陰極側(cè)，氧分子反應(yīng)的質(zhì)子通過高分子電解質(zhì)膜和到達的電子通過外部電路，以形成水分子滲透。這降低半電池反應(yīng)或氧的還原反應(yīng)（ORR）可表示為：在陰極：

    總體反應(yīng)：

    可逆反應(yīng)的方程中表示，并示出的重新注冊的氫質(zhì)子和電子與氧分子和一個水分子形成一起。

    功能，該膜必須進行，因為這會在效果“ 短路 “的燃料電池中的氫離子（質(zhì)子），但不是電子。該膜還必須不允許任一氣體通到細胞中，一個問題被稱為氣體交叉的另一側(cè)。最后，該膜必須是抗在陰極以及在陽極的氧化環(huán)境惡劣的還原性環(huán)境。
    氫分子分解是比較容易通過使用鉑催化劑。然而不幸的是，氧分子分裂是比較困難的，這將導(dǎo)致顯著的電損耗。適當(dāng)?shù)拇呋瘎┎牧?，這個過程還沒有被發(fā)現(xiàn)，鉑金是最好的選擇。一個有希望的催化劑，使用更便宜的材料，鐵，氮，碳一直被稱為促進必要的反應(yīng)，但速度過于緩慢，是可行的。[ 2 ]最近，加拿大研究機構(gòu)有顯著這種類型的鐵基催化劑的性能增加。他們的物質(zhì)產(chǎn)生0.8伏99安培每立方厘米，一鍵測量的催化活性[ 需要的引證 ]。這是35倍，比最好的非貴重金屬催化劑，到目前為止，燃料電池催化劑：130部能源公司的目標(biāo)A /厘米3。[ 3 ]這也是典型的鉑催化劑的性能相匹配。此刻唯一的問題是它的耐用性，因為只有100小時后的測試反應(yīng)速度下降到一半。另一個顯著的損失源是質(zhì)子流最小化，這是通過使它盡可能地薄，在50 微米的順序的膜的電阻。
    質(zhì)子交換膜燃料電池車輛的各種規(guī)模的手機和其他移動應(yīng)用的主要候選人，因為其緊湊。但是，水的管理是非常重要的性能：太多的水將淹沒膜，太少會干，在這兩種情況下，輸出功率將下降。在PEM系統(tǒng)，水資源管理是一個非常棘手的問題，這主要是因為水在膜向陰極極化的細胞通過吸引。水管理存在各種各樣的解決方案，包括集成的電滲泵。此外，在膜上的鉑催化劑是很容易由一氧化碳中毒（每百萬的不超過一個的一部分通常是可接受的），該膜是類似金屬離子的東西，它可被引入的金屬雙極板的腐蝕，金屬組分敏感在燃料電池系統(tǒng)中的污染物，或從燃料/氧化劑。
    使用重整甲醇的 PEM系統(tǒng)被提出，如在戴姆勒克萊斯勒NECAR 5;重整甲醇，即使其反應(yīng)，得到氫，然而，一個非常復(fù)雜的過程，這也需要從反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳的純化。甲鉑- 釕催化劑是必要的，因為一些一氧化碳將無可避免地到達膜。水平應(yīng)不超過百萬分之十。此外，這樣的重整反應(yīng)器的啟動時間是大約半小時。可替換地，甲醇，和一些其他的生物燃料可以供給到PEM燃料電池的情況下直接被改革，從而使直接甲醇型燃料電池（DMFC）。這些器件采用了有限的成功。
    最常用的膜是由杜邦公司，這依賴于液體的水加濕的運輸質(zhì)子膜的Nafion。這意味著它是不可行的使用溫度高于80至90°C，由于膜干燥。其他更近期的膜類型，聚苯并咪唑（PBI），或磷酸的基礎(chǔ)上，可以達到至220℃，不使用任何水管理：允許更高的溫度下更好的效率，功率密度，易于冷卻（因為更大的允許的溫度差異），減少一氧化碳中毒和更好的可控性（由于膜中的水管理的問題的情況下）的敏感性，然而，最近這些類型并不常見[ 4 ]。

    效率
    應(yīng)用Gibbs自由能 ΔG= -237.13 kJ / mol和使用的較低的熱值（LHV）的氫ΔH= -285.84 kJ / mol的）的方程的最大理論效率為83％，在298 K.
    一個PEM的是在40-60％的范圍內(nèi)使用的氫的高熱值（HHV）的實際效率。產(chǎn)生虧損的主要因素是：
    激活損失
    歐姆損失
    大眾運輸損失

    催化劑的研究
    目前的研究質(zhì)子交換膜燃料電池的催化劑，可以劃分為兩個主要目標(biāo)之一：
    以獲得更高的催化活性比標(biāo)準(zhǔn)的碳負(fù)載的鉑粒子當(dāng)前的PEM燃料電池中使用的催化劑，或雜質(zhì)氣體，以減少中毒的質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑。這兩種方法的實施例在下面的章節(jié)中給出。