質子交換膜氫燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，英文簡稱PEMFC）是一種燃料電池，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。

氫燃料電池兩電極的反應分別為：

陽極（負極）：2H₂ – 4e = 4H⁺

陰極（正極）：O₂ + 4e + 4H⁺ = 2H₂O注意所有的電子e都省略了負號上標。由于質子交換膜只能傳導質子，因此氫質子可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5~1V之間。將多個單電池層疊組合就能構成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆。

PEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質子交換膜和其兩側各一片多孔氣體擴散電極（涂有催化劑的多孔碳布）組成的陰、陽極和電解質的復合體。

電堆由多個單體電池以串聯方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件（MEA）交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構成質子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時應確保氣體主通道對正以便氫氣和氧氣能順利通達每一單電池。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經雙極板導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。

電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經預處理的質子交換膜兩側，使催化劑靠近質子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極板常用石墨板材料制作，具有高密度、高強度，無穿孔性漏氣，在高壓強下無變形，導電、導熱性能優良，與電極相容性好等特點。常用石墨雙極板厚度約2~3.7mm，經銑床加工成具有一定形狀的導流流體槽及流體通道，其流道設計和加工工藝與電池性能密切相關。

質子交換膜氫燃料電池優點

質子交換膜燃料電池具有如下優點：e其發電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環的限制，能量轉換率高；發電時不產生污染，發電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環保電源。

質子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動快、比功率高、結構簡單、操作方便等被公認為電動汽車、固定發電站等的首選能源。在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成回路，向外界提供電流，因此質子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響電的使用壽命。

質子交換類膜氫燃料電池存在下述缺點：

（1）制作困難、成本高，全氟物質的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高；

（2）對溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為70~90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題；

（3）某些碳氫化合物，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池（DMFC）的質子交換膜。

質子交換膜氫燃料電池的應用

質子交換膜氫燃料電池發電作為新一代發電技術，其廣闊的應用前景可與計算機技術相媲美。經過多年的基礎研究與應用開發，質子交換膜氫燃料電池用作汽車動力的研究已取得實質性進展，微型質子交換膜燃料電池便攜電源和小型質子交換膜燃料電池移動電源已達到產品化程度，中、大功率質子交換膜燃料電池發電系統的研究也取得了一定成果。

采用質子交換膜燃料電池氫能發電將大大提高重要裝備及建筑電氣系統的供電可靠性，使重要建筑物以市電和備用集中柴油電站供電的方式向市電與中、小型質子交換膜燃料電池發電裝置、太陽能發電、風力發電等分散電源聯網備用供電的靈活發供電系統轉變，極大地提高建筑物的智能化程度、節能水平和環保效益。