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[[File:Pem.fuelcell2.gif|thumb|200px|質子交換膜燃料電池構造與運作原理示意圖，上方輸入氫氣，前側導入氧氣，產生電力、水與熱。]]
'''質子交換膜燃料電池'''（{{lang-en|'''Proton Exchange Membrane Fuel Cell'''}}，簡稱：'''{{lang|en|PEMFC}}'''），又稱'''固體高分子電解質燃料電池'''（{{lang|en|'''Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells'''}}），是一種以含氫燃料與空氣作用產生電力與熱力的[[燃料電池]]，運作溫度在 50℃ 至 100℃，無需加壓或減壓，以[[高分子]][[質子交換膜]]為傳導媒介，沒有任何化學液體，[[發電]]後產生[[純水]]和[[热量|熱]]。

燃料電池中，質子交換膜燃料電池相對低溫與常壓的特性，加上對人體無化學危險、對環境無害，適合應用在日常生活，所以被發展應用在運輸動力型（{{lang|en|Transport}}）、定置型（{{lang|en|Stationary}}）與攜帶型（{{lang|en|Portable}}）等機組。

==構造==
質子交換膜燃料電池每一個電池組，一般是由十一層結構所組成<ref name=TFCF>{{cite web |url=http://idic.tier.org.tw/TFCF/data/name/name_1_6_8.htm |title=氫能利用技科-燃料電池 |work=東亞產經資訊網 |accessdate=2008-08-13 |archive-date=2019-10-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20191024132304/https://idic.tier.org.tw/TFCF/data/name/name_1_6_8.htm |dead-url=no }}</ref><ref name=NSC>{{cite web|url=http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science.asp?add_year=2003&popsc_aid=254|title=燃料電池的演進|work=行政院國家科學委員會|accessdate=2008-08-14|deadurl=yes|archiveurl=https://web.archive.org/web/20080518135044/http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science.asp?add_year=2003&popsc_aid=254|archivedate=2008-05-18}}</ref><ref name=HISTORY/>：
*電極組
**中間層為高分子質子交換膜，簡稱交換膜，是固態高分子電解材料，用以傳送[[質子]]，且須隔阻[[電子]]與[[氣體]]通過；
**其兩邊外側為[[觸媒]]反應層，[[陽極]]與[[陰極]]的[[電化學]][[化學反應|反應]]分別在此兩層進行，目前以[[鉑]]／[[碳]]或鉑／[[釕]]／碳粉體為觸媒；
*氣體擴散組
**觸媒層兩邊外側是兩層擴散層，為經疏水處理以避免水分阻塞的[[碳纖維]]，能將[[反應物]][[擴散]]至觸媒反應層，並將[[生成物]]擴散排出；
**擴散層兩邊外側為兩層流場板，與擴散層接觸面有許多氣體導流槽，反應物與生成物即經由這些導流槽進出燃料電池；
*導電隔離組
**於流場板外側是導電板，負責收集[[電流]]，再經由電路傳送至[[負載]]；
**最外層有兩片壓板，用以固定與隔離保護整個電池組。

==原理==
質子交換膜燃料電池的原理是：<ref name=TFCF/><ref name=SA>{{cite web |url=http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=655&DocNo=1051 |title=氫燃料電池車乾淨上路 |work=科學人雜誌網站 |accessdate=2008-08-14 |archive-date=2006-03-28 |archive-url=https://web.archive.org/web/20060328023450/http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=655&DocNo=1051 |dead-url=no }}</ref>首先[[氫]][[分子]]經由陽極端流場板的氣體導流槽進入電池組，經擴散層到陽極觸媒反應層，經陽極觸媒作用氧化為[[氫離子]]（也就是[[質子]]），與釋出[[電子]]，這化學反應過程稱為陽極[[半反應]]：
:{| style="border: 1px solid #cccccc; width:600px;"
|-
|style="width: 70%;"| <math>\rm H_2 \longrightarrow 2H^+ + 2e^-</math>
|| <math>\rm E_1^o = 0V</math><sub>SHE（[[電極電池|標準氫電極]]）</sub>
|}
然後氫離子受[[電滲透力]]驅策，伴隨數個水分子，經由交換膜輸送至另一端的陰極觸媒反應層。接著游離的電子經導電板收集，因電位差的原故，通過連接在導電板上的電路，流向陰極的導電板，變成電流產生電力，電子最後會由陰極導電板送到陰極觸媒反應層。

最後氫離子、電子、加上由陰極流場板輸送來空氣中的氧氣，匯集在陰極觸媒反應層，經陰極觸媒催化而產生水，這化學反應過程稱為陰極半反應：
:{| style="border: 1px solid #cccccc; width:600px;"
|-
|style="width: 70%;"| <math>\rm 4H^+ + 4e^- + O_2 \longrightarrow 2H_2O</math>
|| <math>\rm E_2^o = 1.229V</math><sub>SHE</sub>
|}


總體[[電化反應]]是將[[化學能]][[自由能]]差 <math>\rm \left ( \Delta G \right )</math> 轉變為[[電動勢]] <math>\rm \left ( \Delta E \right )</math> ：
:{| style="border: 1px solid #cccccc; width:600px;"
|-
|style="width: 70%;"| <math>\rm \Delta E = E_2^o - E_1^o = 1.229V</math><sub>SHE</sub>
|}
而：
:{| style="border: 1px solid #cccccc; width:600px;"
|-
|style="width: 70%;"| <math>\rm\Delta G=\Delta H-T\Delta S\;</math>
|}

氫的反應熱 <math>\rm \Delta H\;</math> 為 <math>\rm 286\;\it k \rm J\,{mol}^{-1}</math>，[[熵|熵变]] <math>\rm \Delta S\;</math> 為 <math>\rm 163\;J\,{mol}^{-1}\,{K}^{-1}</math>。

假設溫度 <math>\rm T\;</math> 為 <math>\rm 57^\circ C</math> 即 <math>\rm 330\;K</math> 時，能量損耗為：
:{| style="border: 1px solid #cccccc; width:600px;"
|-
|style="width: 70%;"| <math>\rm T\Delta S=330\;K \cdot 163\;J\,{mol}^{-1}\,{K}^{-1}\cong 53.79\;\it k \rm J\,{mol}^{-1}</math>
|}
故轉換率：
:{| style="border: 1px solid #cccccc; width:600px;"
|-
|style="width: 70%;"| <math>\rm\frac{\Delta G}{\Delta H}=\frac{286\;\it k\rm J\,{mol}^{-1}-53.79\;\it k\rm J\,{mol}^{-1}}{286\;\it k\rm J\,{mol}^{-1}}\cong 81.2\%</math>
|}

也就是在溫度為 <math>\rm 57^\circ C</math> 時，有<math>\rm 81.2\%\;</math>的反應熱可以轉換成電能，由此推算，<math>\rm T\;</math> 為 <math>\rm 100^\circ C</math>時，仍有<math>\rm 78.7\%\;</math>的轉換率，是相當有效能的電轉化換。

==歷史==
1960年代中期，[[美國]][[奇異公司]]的{{link-en|威勒湯瑪士葛洛伯|Willard Thomas Grubb}}和{{link-en|李尼崔奇|Lee Niedrach}}，參與了美國[[海軍]]船務署與美國[[陸軍]]通訊兵團的一項專案，要求發展一種小型燃料電池，便發明了以質子交換膜為電解質的燃料電池<ref name=HISTORY>{{en}}{{cite web |url=http://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem/pemmain.htm |title=PEM Fuel Cells |work=National Museum of American History |accessdate=2008-08-14 |archive-date=2011-06-04 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110604003015/http://americanhistory.si.edu/fuelcells/pem/pemmain.htm |dead-url=no }}</ref>。

第一個成品，是使用[[氫化鋰]]放入水來產生氫，並製作成拋棄式的燃料匣，方便攜帶又容易置換，但由於電極板是貴重金屬[[鉑]]（[[白金]]），生產成本非常高昂<ref name=HISTORY/>。

奇異的質子交換膜燃料電池“PB2”，被選定參與美國[[太空總署]]的[[雙子星座計劃]]，該計劃的主要目的為在太空中測試各種設備與狀況，以供後來以登月為目標的[[阿波羅計劃]]參考設計，但剛開始時時PB2遇到了電池組汙染與氧從交換膜滲漏等問題，雙子星1號到4號都沒有採用<ref name=HISTORY/>。

奇異公司重新設計電池，採用了[[杜邦公司]]的“{{link-en|納飛安|Nafion}}”離子聚合膜為{{le|交換膜|Proton-exchange membrane}}，代替之前的[[磺化]][[聚苯乙烯]]膜，新電池名為“P3”，從[[雙子星5號]]開始被採用至最後的[[雙子星10號]]。惟於後來的[[阿波羅計劃]]與[[太空梭]]改為採用[[鹼性燃料電池]]<ref name=HISTORY/>。

奇異公司持續不斷研發新的質子交換膜電池，在1970年代中期，發展出一種水電解技術，可以支援水中生活，應用在美國海軍的氧氣生產工廠，[[英國]][[英國皇家海軍|皇家海軍]]於1980年代初採用此項技術於其[[潛水艇]][[艦隊]]<ref name=HISTORY/>。

1980年代後期至1990年代，美國的[[洛斯阿拉莫斯國家實驗室]]與[[德州A&M大學]]，致力於實驗如何減少質子交換膜電池對鉑的使用量。

近來因[[奈米科技]]發展，已能將只有數奈米的鉑鍍在炭黑或碳粉上，不僅大幅降低鉑的使用量，並且使能量密度得以大幅提升<ref name=NSC/>。

==參考資料==
{{reflist}}

==相關條目==
{{Portal box|能源|可再生能源}}
*[[功率重量比]]
*[[燃料電池]]
*[[電化學]]
*[[電解]]
*[[氫]]

==外部連結==
*[http://news.epochtimes.com.tw/6/12/6/42575.htm 燃料電池的演進與原理]{{Dead link|date=2020年6月 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}

{{燃料電池}}
{{電池}}

{{Authority control}}
[[Category:燃料電池]]
[[Category:電池]]
[[Category:能源转换]]
[[Category:发电]]
[[Category:可持续技术]]
[[Category:膜技术]]