质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的设备。与传统燃料电池不同，质子交换膜燃料电池采用了固体质子交换膜来隔离氧气和氢气，使得氢气在阳极处氧化产生电子和质子，电子通过外部电路流入阴极，质子穿过质子交换膜到达阴极，并与氧气结合形成水。

1.质子交换膜燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池的工作原理是基于化学反应，其中氢气在阳极处发生氧化反应：

H2 → 2H+ + 2e-

电子通过外部电路流入阴极，产生电流，而质子则穿过固体聚合物电解质（或称为质子交换膜）渗透到了阴极。在阴极处，氧气和质子反应生成水：

1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O

整个反应的化学方程式为：

H2 + 1/2 O2 → H2O

2.质子交换膜燃料电池的组成

质子交换膜燃料电池主要由以下四个部分组成：

• 阳极：氢气在此处通过催化剂进行氧化反应。
• 阴极：氧气在此处与质子和电子结合形成水。
• 质子交换膜：将阳极和阴极隔开，同时也是质子传递的介质。
• 电解质层：位于阳极和质子交换膜之间，用于储存电荷并促进离子传输。

3.质子交换膜燃料电池的优缺点

3.1 优点

• 燃料电池能够高效地将化学能转化为电能，并且排放物仅为水和少量的废热。
• 相比其他类型的燃料电池，质子交换膜燃料电池具有较高的功率密度，适用于对功率要求较高的应用领域。
• 氢气作为燃料具有丰富的来源，可以通过水解等方式获得。

3.2 缺点

• 质子交换膜燃料电池仍面临催化剂寿命、运行温度过高等问题，对技术难度和成本造成挑战。
• 目前市场上缺乏广泛应用的氢气基础设施。
• 氢气密度低，需要占用较大空间储存。