什麼是質子交換膜燃料電池
以具有磺酸基的高分子膜為電解質，以含水的膜傳導質子的燃料電池。寫作PEFC，為防止膜乾燥而加濕，約在80℃運作。
日文名稱: 固体高分子形燃料電池
「質子交換膜燃料電池」出現在1領域的1道練習題中（電池與能源材料等）。
這個名詞所屬的領域: 電池與能源材料
反應與理論電壓
在PEFC中，氫在陽極以 H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ 被氧化，質子通過電解質膜、電子通過外部電路移到陰極，在陰極以 O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O 使氧還原。整體反應是由氫與氧生成水的反應，25℃下生成液態水時的標準吉布斯自由能變化為每1 mol水 −237.1 kJ，因此理論電動勢為 E° = −ΔG°/(2F) ≈ 1.23 V。生成的水從空氣側排出，運轉中不排放二氧化碳。
電壓達不到理論值的原因
實際單電池的電壓，在取出電流時會降到0.6〜0.8 V左右。最大的損失是陰極氧還原反應緩慢所造成的活化過電壓，即使使用鉑觸媒仍然很大。電流增加時，會加上膜與接觸電阻造成的損失，大電流時更會出現氧或水的移動跟不上的質傳損失。理論效率的上限 ΔG/ΔH 以高熱值計約為83%，但在0.7 V運轉時電壓上的效率約為47%。所需的電壓，以疊合數百片單電池的電池堆取得。
膜電極組與水管理
在電解質膜（厚約10〜50 µm）的兩側，疊合混合了載有鉑微粒之碳與高分子電解質的觸媒層，以及氣體擴散層，稱為膜電極組（MEA），再以具有流道溝槽的雙極板夾住做成電池。膜乾燥時不易傳導質子，但水太多時觸媒層與氣體擴散層的細孔會被水堵住，氣體無法到達（水淹）。質子也會帶著水往陰極移動（電滲拖曳），因此取得加濕量與排水平衡的水管理，是性能的關鍵。
觸媒的毒化與實用的例子
在低溫運作的PEFC中，一氧化碳會強烈吸附在鉑表面而妨礙觸媒作用（CO毒化）。燃料電池車用氫氣的國際標準（ISO 14687）規定CO須抑制在0.2 ppm以下，以都市燃氣重組製造氫氣的家用系統，去除CO的工程不可或缺。PEFC在低溫下啟動快、輸出密度高，因此用於燃料電池車，以及日本自2009年開始販售的家用燃料電池（ENE-FARM）等。減少鉑的使用量是成本上的一大課題。
練習質子交換膜燃料電池的題目
關於質子交換膜燃料電池（PEFC）電解質的敘述，下列何者正確？
- A是傳導氧離子（O²⁻）的陶瓷膜，為提高導電率而在700℃以上運作
- B是碳酸鹽的熔融液，碳酸根離子移向燃料極而導電，因此在約650℃運作
- C是具有磺酸基的氟系高分子膜，含水時傳導質子，因此在100℃左右以下運作
查看答案與解析
正確答案：C. 是具有磺酸基的氟系高分子膜，含水時傳導質子，因此在100℃左右以下運作
PEFC 的電解質使用氟樹脂主鏈上帶有磺酸基（−SO₃H）側鏈的高分子膜。膜含水時，形成磺酸基聚集的親水性通道，質子與水一起在其中移動。乾燥時導電率大幅下降，因此需要加濕；為避免膜中的水流失，工作溫度在100℃左右以下，一般約為80℃。以700℃以上使用傳導 O²⁻ 之陶瓷膜的是固態氧化物燃料電池（SOFC），使用穩定氧化鋯等。以碳酸鹽熔融液為電解質、在約650℃運作的是熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）。電解質的差異決定了各自的工作溫度、可用的燃料與觸媒。
常見問題
PEFC與PEMFC相同嗎？
是相同的東西。日本多稱為固體高分子形燃料電池（PEFC），英語圈多稱為質子交換膜燃料電池（PEMFC），兩者都是指以高分子膜為電解質的燃料電池。
PEFC與SOFC有什麼不同？
PEFC使用傳導質子的高分子膜，約在80℃運作，因此啟動快，適合汽車。SOFC使用傳導氧離子的陶瓷，在700℃以上運作，因此不需要鉑、發電效率高，但啟動需要時間。
PEFC為什麼需要鉑？
因為在約80℃的低溫下，氧的還原與氫的氧化反應很慢，沒有像鉑這樣活性高的觸媒，就無法得到足夠的電流。減少鉑用量的觸媒與不使用鉑的觸媒都在研究中。