质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池（英语：Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称：PEMFC），又称固体高分子电解质燃料电池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells），是一种以含氢燃料与空气作用产生电力与热力的燃料电池，运作温度在 50℃ 至 100℃，无需加压或减压，以高分子质子交换膜为传导媒介，没有任何化学液体，发电后产生纯水和热。

质子交换膜燃料电池构造与运作原理示意图，上方输入氢气，前侧导入氧气，产生电力、水与热。

燃料电池中，质子交换膜燃料电池相对低温与常压的特性，加上对人体无化学危险、对环境无害，适合应用在日常生活，所以被发展应用在运输动力型（Transport）、定置型（Stationary）与便携式（Portable）等机组。

构造

质子交换膜燃料电池每一个电池组，一般是由十一层结构所组成：

• 电极组
  • 中间层为高分子质子交换膜，简称交换膜，是固态高分子电解材料，用以传送质子，且须隔阻电子与气体通过；
  • 其两边外侧为触媒反应层，阳极与阴极的电化学反应分别在此两层进行，目前以铂／碳或铂／钌／碳粉体为触媒；
• 气体扩散组
  • 触媒层两边外侧是两层扩散层，为经疏水处理以避免水分阻塞的碳纤维，能将反应物扩散至触媒反应层，并将生成物扩散排出；
  • 扩散层两边外侧为两层流场板，与扩散层接触面有许多气体导流槽，反应物与生成物即经由这些导流槽进出燃料电池；
• 导电隔离组
  • 于流场板外侧是导电板，负责收集电流，再经由电路传送至负载；
  • 最外层有两片压板，用以固定与隔离保护整个电池组。

原理

质子交换膜燃料电池的原理是：首先氢分子经由阳极端流场板的气体导流槽进入电池组，经扩散层到阳极触媒反应层，经阳极触媒作用氧化为氢离子（也就是质子），与释出电子，这化学反应过程称为阳极半反应：

${\rm {H_{2}\longrightarrow 2H^{+}+2e^{-}}}$

${\rm {E_{1}^{o}=0V}}$SHE（标准氢电极）

然后氢离子受电渗透力驱策，伴随数个水分子，经由交换膜输送至另一端的阴极触媒反应层。接着游离的电子经导电板收集，因电位差的原故，通过连接在导电板上的电路，流向阴极的导电板，变成电流产生电力，电子最后会由阴极导电板送到阴极触媒反应层。

最后氢离子、电子、加上由阴极流场板输送来空气中的氧气，汇集在阴极触媒反应层，经阴极触媒催化而产生水，这化学反应过程称为阴极半反应：

${\rm {4H^{+}+4e^{-}+O_{2}\longrightarrow 2H_{2}O}}$

${\rm {E_{2}^{o}=1.229V}}$SHE

总体电化反应是将化学能自由能差 ${\rm {\left(\Delta G\right)}}$ 转变为电动势 ${\rm {\left(\Delta E\right)}}$ ：

${\rm {\Delta E=E_{2}^{o}-E_{1}^{o}=1.229V}}$SHE

而：

${\rm {\Delta G=\Delta H-T\Delta S\;}}$

氢的反应热 ${\rm {\Delta H\;}}$ 为 ${\rm {286\;{\it {k{\rm {J\,{mol}^{-1}}}}}}}$，熵变 ${\rm {\Delta S\;}}$ 为 ${\rm {163\;J\,{mol}^{-1}\,{K}^{-1}}}$。

假设温度 ${\rm {T\;}}$ 为 ${\rm {57^{\circ }C}}$ 即 ${\rm {330\;K}}$ 时，能量损耗为：

${\rm {T\Delta S=330\;K\cdot 163\;J\,{mol}^{-1}\,{K}^{-1}\cong 53.79\;{\it {k{\rm {J\,{mol}^{-1}}}}}}}$

故转换率：

${\rm {{\frac {\Delta G}{\Delta H}}={\frac {286\;{\it {k{\rm {J\,{mol}^{-1}-53.79\;{\it {k{\rm {J\,{mol}^{-1}}}}}}}}}}{286\;{\it {k{\rm {J\,{mol}^{-1}}}}}}}\cong 81.2\%}}$

也就是在温度为 ${\rm {57^{\circ }C}}$ 时，有${\rm {81.2\%\;}}$的反应热可以转换成电能，由此推算，${\rm {T\;}}$ 为 ${\rm {100^{\circ }C}}$时，仍有${\rm {78.7\%\;}}$的转换率，是相当有效能的电转化换。

历史

1960年代中期，美国通用电气的威勒汤玛士葛洛伯和李尼崔奇，参与了美国海军船务署与美国陆军通讯兵团的一项专案，要求发展一种小型燃料电池，便发明了以质子交换膜为电解质的燃料电池。

第一个成品，是使用氢化锂放入水来产生氢，并制作成抛弃式的燃料匣，方便携带又容易置换，但由于电极板是贵重金属铂（白金），生产成本非常高昂。

奇异的质子交换膜燃料电池“PB2”，被选定参与美国太空总署的双子星座计划，该计划的主要目的为在太空中测试各种设备与状况，以供后来以登月为目标的阿波罗计划参考设计，但刚开始时时PB2遇到了电池组污染与氧从交换膜渗漏等问题，双子星1号到4号都没有采用。

通用电气重新设计电池，采用了杜邦公司的“纳飞安”离子聚合膜为交换膜，代替之前的磺化聚苯乙烯膜，新电池名为“P3”，从双子星5号开始被采用至最后的双子星10号。惟于后来的阿波罗计划与航天飞机改为采用碱性燃料电池。

通用电气持续不断研发新的质子交换膜电池，在1970年代中期，发展出一种水电解技术，可以支援水中生活，应用在美国海军的氧气生产工厂，英国皇家海军于1980年代初采用此项技术于其潜水艇舰队。

1980年代后期至1990年代，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室与德州A&M大学，致力于实验如何减少质子交换膜电池对铂的使用量。

近来因奈米科技发展，已能将只有数奈米的铂镀在炭黑或碳粉上，不仅大幅降低铂的使用量，并且使能量密度得以大幅提升。

相关条目

• 功率重量比
• 燃料电池
• 电化学
• 电解
• 氢

外部链接

• 燃料电池的演进与原理