质子交换膜（proton exchange membrane，简称PEM）燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于直流电源，其阳极为电源负极，阴极为电源正极。基本结构如图4－1所示。

质子交换膜采用的是全氟磺酸固体聚合物薄膜，厚度0.05～0.1mm，它提供氢离子（质子）从阳极到达阴极的通道，而电子或气体不能通过。

催化层是将纳米量级的铂粒子用化学或物理的方法附着在质子交换膜表面，厚度约0.03mm，对阳极氢的氧化和阴极氧的还原起催化作用。

膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度0.2～0.5mm，导电性能良好，其上的微孔提供气体进入催化层的通道，又称为扩散层。

商品燃料电池为了提供足够的输出电压和功率，需将若干单体电池串联或并联在一起，流场板一般由导电性能良好的石墨或金属制成。与单体电池的阳极和阴极形成良好的电接触，称为双极板，其上加工有供气体流通的通道。为直观起见，教学用燃料电池采用有机玻璃作流场板。

阳极化学反应：

进入阳极的氢气通过电极上的扩散层到达质子交换膜。氢分子在阳极催化剂的作用下解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子，阳极反应式为

氢离子以水合质子H＋（nH2O）的形式，在质子交换膜中从一个磺酸基转移到另一个磺酸基，最后到达阴极，实现质子导电，质子的这种转移导致阳极带负电。

阴极化学反应：

氧气或空气通过阴极扩散层到达阴极催化层，在阴极催化层的作用下，氧与氢离子和电子反应生成水，阴极反应式为

阴极反应使氧气得到氢离子和电子而还原为水，由于阴极上缺少了电子而带正电，在阴极和阳极间产生电压，如果阴阳极接通外电路，就可以向负载输出电能。

总的化学反应：

注意：在电化学中，阳极失去电子，产生的是氧化反应；阴极得到电子，产生的是还原反应。对电池而言，阴极是电的正极，阳极是电的负极。

质子交换膜燃料电池的特点是：发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换效率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，工作时没有噪声。所以质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的绿色环保电源。