質子交換膜燃料電池，也被稱為聚合物電解質膜（PEM）的燃料電池（PEMFC），是一種類型的燃料電池正在開發運輸應用程序，以及用于固定的燃料電池的應用和便攜式燃料電池的應用。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膜。他們是一個領先的候選人，以取代老化堿性燃料電池技術，這是用來在航天飛機。

    反應
    有關此主題的詳細信息，請參閱燃料電池。
    質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，以產生熱能的氫氣和氧氣的電化學反應過程中釋放的化學能轉換。
    氫甲流被傳遞到膜電極接合體（MEA）的陽極側的。在陽極側，它是催化分裂成質子和電子。此氧化半電池反應或氧化反應中的氫（HOR）可表示為：在陽極：

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

    總體反應：

    可逆反應的方程中表示，并示出的重新注冊的氫質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。最后，該膜必須是抗在陰極以及在陽極的氧化環境惡劣的還原性環境。
    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，這將導致顯著的電損耗。適當的催化劑材料，這個過程還沒有被發現，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，但速度過于緩慢，是可行的。[ 2 ]最近，加拿大研究機構有顯著這種類型的鐵基催化劑的性能增加。他們的物質產生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小時后的測試反應速度下降到一半。另一個顯著的損失源是質子流最小化，這是通過使它盡可能地薄，在50 微米的順序的膜的電阻。
    質子交換膜燃料電池車輛的各種規模的手機和其他移動應用的主要候選人，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，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中的污染物，或從燃料/氧化劑。
    使用重整甲醇的 PEM系統被提出，如在戴姆勒克萊斯勒NECAR 5;重整甲醇，即使其反應，得到氫，然而，一個非常復雜的過程，這也需要從反應產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。水平應不超過百萬分之十。此外，這樣的重整反應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％的范圍內使用的氫的高熱值（HHV）的實際效率。產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
    目前的研究質子交換膜燃料電池的催化劑，可以劃分為兩個主要目標之一：
    以獲得更高的催化活性比標準的碳負載的鉑粒子當前的PEM燃料電池中使用的催化劑，或雜質氣體，以減少中毒的質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中給出。