质子交换膜（PEM）燃料电池凭借其工作温度低，启动速度快，无电解液的腐蚀和流失问题，能量密度高等优点，逐渐成为新型交通工具、固定式电站、便携式电脑及移动通信设备的理想动力源。加拿大、美国、欧盟和日本等发达国家和地区在PEMFC的研究和开发方面已取得重要进展。
PEMFC的核心部件是膜电极组件（Membrane electrode assembly），又称MEA。膜电极采用传导H+的全氟磺酸型固体聚合物作为电解质，碳载铂（Pt/C）或碳载铂合金为电催化剂。氢气或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。PEMFC的工作原理为在电池的阳极端，氢分子被催化氧化为氢离子（即质子）并释放出电子。即：H2→2H+2e－；
阳极反应生成的氢离子穿过固体电解质膜的达阴极，电子则通过外电路和流向阴极。在电池的阴极端，在阳极催化剂作用下，氧气（或空气）与氢离子及电子发生反应生成水。即：1/2O2+2H+2e－→H2O；电池总反应为：H2=1/2O2→H2O。
1 发展概况
早在上世纪60年代，美国GE公司就为国家航空航天局研制了PEMFC空间电源，并将其应用于双子星座飞船。由于电池采用了聚苯乙炔磺酸膜，其稳定性、导电性均不理想，使用寿命较短。1972年，美国DuPont公司的Grot研制出新型全氟磺酸膜（Nafion系列膜材料），PEMFC性能得以大幅度提高。1983年，美国Los Alamos国家实验室（LANL）成功实现电极的立体化，使催化剂载量大大降低。1993年，加拿大Ballard power systems公司研制出第一台质子交换膜燃料电池汽车，标志着PEMFC技术开始向产业化、民用化的方向迈进。
在Ballard公司的带动下，越来越多汽车制造厂商纷纷将眼光投向了PEMFC，相继开发出以纯氢或重整气为燃料的不同特点的燃料电池汽车。1997年，Toyota公司研制出事带有甲醇重整器的RAV4型跑车，它由一个25k的燃料电池和辅助干电池一起提供了全部50km；德国奔驰公司在1998年开发出NECARIII质子交换膜燃料电池汽车，同样采用甲醇外部重整向电池供给氢气，汽车在启动2s内动力系统的能量可达到90%，其最大行程为400km；通用汽车公司最新研发的Sequel氢燃料电池车的电池发动机最双功率73kW，配备三个700bar高压储瓶储存7kg氢，一次加氢可连续行驶300mile，0~60mile·h－1加速只需10秒，该指标已与普通的内燃发动机汽车非常接近。
PEMFC还成功应用于固定式发电系统，市场潜力值得期待。1997以来，Ballard公司先后开发了四座250kW级PEMFC电站，分别安装在美国、德国、瑞士、日本等地；1999年，美国Plug Power公司和通用电气公司合资开发的GE HomeGen7000型家用电源主，可提供7kW的持续电力，该产品已向全球推广。
我国早在上世纪50年代就开展了燃料电池方面的研究，主要由中国科学院长春应用化学研究所、大连化学物理所和天津电子部十八所等单位发起。90年代至今，有大批的高等院校、科研院所和高科技企业加入PEMFC的R&D行列。其中清华大学牵头承担了国家863“燃料电池城市客车”重大项目的研究开发工作；2005年，武汉理工大学与东风汽车公司合作开发出燃料电池 轿车——“楚天一号”，最高时事可达100km·h-1；大连化物所在燃料电池基础研究和PEMFC汽车发动机的研制开发方面处于国内领先水平，目前该所已组建“燃料电池及氢源技术国家工程研究中心”。
另外，上海神力科技有限公司、大连新源动力股份有限公司等国内少数几家企业初步实现了燃料电池产品的小批量生产。武汉理工新能源有限公司也实现了核心组件膜电极的批量生产，并应用于通信基站备用电源领域。
2 技术难题
2.1 催化剂与电解质的高成本
据估算，目前，PEMFC电池堆的成本约为600US$·kW-1，其制造成本主要集中在催化剂与电解质等关键材料上。
降低催化剂成本主要有两种途径：一是降低阴阳两极的Pt裁量。美国Los Alamos国家实验室（LANL）最早开展这方面研究，目前其研制的膜电极的Pt裁量已降至0.1mg·cm2以下；F.R.Reinoso 发现将Pt沉积到高分散性的炭黑上，不但可以降低催化剂中贵金属用量，还可以提高催化剂利用率；二是研制新型的非铂催化剂。有学者发现，含有四个氮原子的中心含过渡金属的大环化合物很有希望取代铂作为H2/O2燃料电池催化剂；Faubert等研制的附着在炭黑上的Fe基催化剂，已经被用作PEMFC氧还原反应催化剂其活性可以在300h内保持不变；S.Y.Ye等合成的纳米级碳化铁、钴气凝胶在酸性溶液中表现出良好的氧还原催化活性。
目前在PEMFC中使用的质子交换膜，主要采用全氟化取合物材料合成。其代表产品是Du Pont公司生产的Nafion膜。该材料稳定性好、使用寿命长，但其制造成本过高，售价昂贵（约为600~800US$·m-2）。要解决质子交换腊的高成本问题，主要有两种可行方案：一是减少质子交换膜的用量，发展薄膜型电解质；二是研制新型价廉的质子瓷缸膜。W.L.Gore & Associate公司以多孔的聚四氟乙烯膜为基底，浸入Nafion树脂或部分氟化树脂制备复合膜。不仅可以减少昂贵的全氟树脂用量，降低膜成本，而且还可以发病膜的尺寸稳定性。
2.2 膜电极的性能
研究表明，MEA的制备工艺直接影响质子交换膜燃料电池的性能。传统方法通常是将全氟磺酸膜夹在两片气体扩散电极（阴阳两极）间，采用热压技术制成“三明治”结构的MEA。
不少研究人员改进了膜电极三合一组件的制备工艺，研制CCM（Catalyst coated membrand）薄膜电极，以提高催化剂利用率，降低电解质与催化层间的接触电阻，实现增大电池输出的目的。J.H.Park等采用NaBH4还原法直接将Pt沉积到聚吡咯（PPY）/Nafion复合电解质膜上，测试表明，膜电极在80℃，0.3V放电时，电流密度达到888mA·cm-2；O.Antoine等通过研制梯度催化屋实现电极立体化，明显提高了催化剂的利用率，降低了Pt担量。
改进气体扩散层的材料组成和制备工艺也是提高膜电极性能的有效途径之一。据报道，S.Gambuzev等采用泡沫镍作为气体扩散层基底材料，并使用成孔剂增加孔隙率，在80℃，常压下测试MEA性能，电压为0.7Vjf，电流密度达到0.6A·cm-2；J.R.Yu等改变了传统配制整平层浆料的技术，在炭纸以干法沉积炭黑和PTFE粉体混合物，测试结果表明电池性能的重现性良好，该技术操作工艺简便，适宜膜电极批量生产。
2.3 燃料的安全性与实用性
目前，应用最广泛的质子交换膜燃料电池是氢燃料电池。由于氢气在储存和运输环节具有危险性，而且原来的加油站改为加气站将花费巨额投资，难以满足电池车燃料补给。因此，燃料的安全性与实用性成为制约PEMFC发展的主要问题之一。金属氢化物储氢技术比加压储氢安全性高，然而由于金属氢化物自身质量较大导致质量储氢密度偏低，并且该技术成本偏高；甲醇重整制氢是当今氢能领域的一个研究热点。由于重整过程本身就是一个异相催化反应，引入重整器将使燃料电池系统更为复杂；以甲醇、乙醇、二甲醚等有机化合物直接进料的质子交换膜燃料电池称为直接醇类燃料电池（Direct alcohol fuel cell，简称DAFC）。与氢质子交换膜燃料电池相比，DAFC具有携带方便、结构简单的安全性高的优点，因而在小型独立电源、国防通讯、单兵作战武器电源以及移动电话、摄像机和笔记本电脑电源等领域具有广阔的应用前景。虽然目前关于直接甲醇燃料电池（DMFC）的研究取得了一定成果，但是仍然存在着两大亟待解决的突出问题：一是CH3OH的电化学氧化动力学，二是甲醇可以通过电解质膜渗透到阴极，在阴极发生氧化，形成混合电位，从而降低了电池的输出电压。S.L.Wang等将CCM技术应用于直接甲醇燃料电池，75℃时，最大功率密度可达260mW·cm2。E.Gulzow等研制出含16片膜电极，电极面积25cm2的DMFC电池组，考察了电池工作时的电流密度分布情况。L.Jorissen等将磺化芳基主链聚合物和普通聚合物混合，制得新型的质子交换膜，与Nafion？系列电解质膜相比，明显抑制了甲醇的渗透。
2.4 CO对于Pt催化剂的毒化
采用重整气作为PEMFC的燃料，H2中通常会混有10~100ppm的CO；直接以甲醇为燃料同样会生成CO中间体。痕量的CO在低温下（T≤130℃）将会导致Pt催化剂失活。其原因是CO在催化剂表面的吸附能力远比H2强，可以优先占据阳极催化剂的活性位，阻碍H2的电化学氧化，从而引起严重的阳极极化现象，大大降低电池性能。
研制抗CO型阳极催化剂是解决该问题的主要途径，通过开发二元或多元合金催化剂，在Pt中加入一种或向种助催化剂，一方面减弱CO的吸附能力，另一方面降低CO电化学氧化的超电势，使CO更容易转化为CO2。最常见的抗CO型催剂是Pt-Ru/C，另据文献报道，Pt-Co、Pt-Ni、Pt-Sn、Pt-Mo、Co-W等二元合金，Pt-Ru-W等三元合金也被用于抗CO催化剂。
2.5 电池的寿命
稳定性与寿命是PEMFC最值得考虑的问题之一。未来的燃料电池汽车的设计寿命不少于5000h，而固定电站的设计寿命则在40000h以上。然而，目前国内外研制的PEMFC稳定运行时间大多都低于2000h，Ballard公司的模拟寿命试验也仅达到2200h。相关文献对于PEMFC失效模式的研究比较有限，对于导致放电性能衰减的原因和机理也未形成广泛而完整的共识。尽管如此，人们已经发现了一些影响PEMFC寿命的因素，其中包括：（i）电催化剂活性表面积的逐渐衰减；（ii）阴极催化剂的表面氧化；（iii）电极中过量生成水阻塞气体扩散孔道影响传质，产生浓差极化；（iV）杂质离子影响Nafion膜的质子电导率等。
3 前景展望
质子交换膜燃料电池是一种环境友好型的高效能源，若能实现大规模产业化，必将减轻各国经济发展对于日益短缺的石油资源的依赖，缓解目前的能源紧张状态，推进交通运输、计算机及通信等产业的发展。然而必须清醒地认识到，仍然有许多尚待解决的技术难题制约着PEMFC的推广和应用。要攻克这些难题，需要大量的资金投入和大批科研工作者的不懈努力。
质子交换膜燃料电池关键技术的研发进展
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