质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池(PEMFC)，也称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，是一种主要用于运输应用、固定式燃料电池应用和便携式燃料电池应用的燃料电池.它们的显着特点包括较低的温度/压力范围（50至100°C）和特殊的质子传导聚合物电解质膜。PEMFC发电并以与PEM电解相反的原理运行，后者消耗电力。它们是替代航天飞机中使用的老化碱性燃料电池技术的主要候选者。
质子交换膜燃料电池由膜电极组件(MEA)构成，包括电极、电解质、催化剂和气体扩散层。将催化剂、碳和电极的墨水喷涂或涂在固体电解质上，并在两侧热压复写纸以保护电池内部并充当电极。电池的关键部分是三相边界(TPB)，其中电解质、催化剂和反应物混合，因此电池反应实际发生。重要的是，膜不能导电，因此半反应不会混合。需要高于100°C的工作温度，这样水副产品就会变成蒸汽，水管理在电池设计中变得不那么重要。
质子交换膜燃料电池的应用
PEM燃料电池的主要应用集中在交通运输上，主要是因为它们对环境的潜在影响，例如控制温室气体(GHG)的排放。其他应用包括分布式/固定式和便携式发电。由于与其他类型的燃料电池相比，PEM燃料电池具有高功率密度和出色的动态特性，因此大多数主要汽车公司只使用PEM燃料电池。由于重量轻，PEMFC最适合运输应用。使用压缩氢作为燃料的公共汽车PEMFC可以以高达40%的效率运行。通常，PEMFC是在小型汽车上的公共汽车上实施的，因为有足够的空间来容纳系统和储存燃料。交通技术问题涉及将PEM纳入当前的车辆技术和更新能源系统。如果氢气来自化石燃料，则全燃料电池汽车没有优势；但是，当它们作为混合体实施时，它们会变得有益。PEMFC有潜力用于固定发电，它们以30%的效率提供5kW；但是，它们会与其他类型的燃料电池竞争，主要是SOFC和MCFC。虽然PEMFC通常需要高纯度氢气才能运行，但其他燃料电池类型可以使用甲烷运行，因此是更灵活的系统。因此，PEMFC最适合小规模系统，直到获得经济上可扩展的纯氢。此外，PEMFC可以替代便携式电子产品的电池。
历史
在PEM燃料电池发明之前，现有的燃料电池类型，如固体氧化物燃料电池，仅在极端条件下应用。这种燃料电池还需要非常昂贵的材料，并且由于它们的尺寸只能用于固定应用。PEM燃料电池解决了这些问题。PEM燃料电池是1960年代初由通用电气公司的WillardThomasGrubb和LeonardNiedrach发明的。最初，磺化聚苯乙烯膜用于电解质，但在1966年被Nafion离子聚合物取代，证明其在性能和耐久性方面优于磺化聚苯乙烯。PEM燃料电池曾用于NASAGemini系列航天器，但在阿波罗计划和航天飞机中被碱性燃料电池取代。通用电气继续研究PEM电池，并在1970年代中期开发了用于海底生命支持的PEM水电解技术，导致了美国海军制氧厂的诞生。英国皇家海军在1980年代初期为其潜艇舰队采用了这项技术。在1980年代末和1990年代初，洛斯阿拉莫斯国家实验室和德克萨斯A&M大学尝试了减少PEM电池所需铂量的方法。与PrattandWhitneyAircraft并行，通用电气在1960年代初为双子座太空任务开发了xxx批质子交换膜燃料电池(PEMFC)。xxx个使用PEMFC的任务是GeminiV。然而，阿波罗太空任务以及随后的阿波罗联盟号、天空实验室和航天飞机任务使用了基于培根设计的燃料电池，该设计由普惠飞机公司开发。使用了极其昂贵的材料，燃料电池需要非常纯净的氢气和氧气。早期的燃料电池往往需要不方便的高工作温度，这在许多应用中都是一个问题。然而，由于大量可用的燃料（氢和氧），燃料电池被认为是可取的。尽管它们在太空计划中取得了成功，但燃料电池系统仅限于太空任务和其他可以承受高成本的特殊应用。直到1980年代末和1990年代初，燃料电池才成为更广泛应用基础的真正选择。一些关键的创新，如低铂催化剂负载和薄膜电极，降低了燃料电池的成本，使PEMFC系统的开发更加现实。然而，关于氢燃料电池是否会成为用于汽车或其他车辆的现实技术存在重大争议。（参见氢经济。）PEMFC的大部分生产是为丰田Mirai生产的。美国能源部估计，如果每年生产500,000台，2016年的价格为53美元/千瓦。