膜电极是将阴极、阳极和电解质三合一的组件，一般把碳纤维纸作为电极并在其表面喷涂催化剂Pt，然后分别放在预处理后的质子交换膜两侧。质子交换膜作为电池的关键部分，必须具有良好的化学稳定性和热稳定性；良好的力学性能，达到需求的强度和柔韧度；具有较高的含水量和吸水性能；良好的质子导通和电子绝缘性能。目前，能满足以上性能且寿命达到商业化标准的最常用的质子交换膜(PEM)是Nafion质子交换膜。

综上所述，质子交换膜燃料电池的结构如下图2。3所示：

图2。3  质子交换膜燃料电池结构示意图

质子交换膜燃料电池具有诸多优点，总的来说可以分为以下几个方面：

1）能量转化效率高。PEMFC转换效率一般在40%到60%之间，如果采用热电联供，效率可高达80%。

2）清洁无污染。PEMFC的排放物一般只有清洁无污染的液态水和水蒸气。

3）运行噪声低。PEMFC运行时的噪声约为60dB，和人们平时交谈的声音差不多。

4）可靠性高，组装和维修方便。由于PEMFC的发电单元模块化后呈现出相当自然的“积木化”结构，运行时平稳可靠，不容易发生故障；而且组装起来方便，如若发生故障需要维修时，拆卸也比较容易。

5）燃料来源广泛。PEMFC的燃料一般为纯氢气或处理后的含氢重整气，氢贮藏量极其丰富，来源广泛，且是取之不尽用之不竭的可再生能源。

6）工作温度低，启动速度快。PEMFC的工作温度在室温到80℃之间，启动时间短，很快就可以进入工作状态。

7）比功率高。由于PEMFC的结构简单，氢能的热值本来就高，且转换效率高，故而比功率高于一般的燃料电池。

质子交换膜燃料电池由于优点众多及其特性，应用广泛，涉及的区域相当多，总的来说有以下三个方面：

1)用于小型移动电源、备用电源、车载电源等，适用于计算机、地质、通讯、微波站、气象观测站、金融市场及医院等领域，以满足应急供电等高可靠性、高稳定性供电的需要。

2)用于汽车、火车、摩托车、船舶等交通工具动力来源。 

3)用于山区、海岛或边远地区的小型电站。

2。3质子交换膜燃料电池发动机的系统组成

典型的质子交换膜燃料电池系统如图2。4所示，主要包括以下几个部分：

1)燃料电池电堆：燃料电池的电堆是整个电池系统的核心部件，氢氧反应气体在电堆中将化学能转变成电能。

2)氢气供应系统：氢气供应系统一般包括氢源、压力调节阀、氢气回收泵、氢气尾排阀等组件。车用燃料电池所需氢气的来源有很多，一般以存储在高压钢瓶中的液态压缩氢气作为氢源，也有使用可以储氢的化学材料作为氢源，另外还有通过高温裂解天然气、甲醇、汽油等含氢燃料的装置在线制取氢气作为氢源。如若氢气供应系统采用盲端阳极式，就可以减少回收氢气所需的装置部件，从而减轻了整个系统的重量和成本，已经成为氢气供应系统结构的主流[13]。

3)空气供应系统：空气供应系统主要由空压机、增湿器、背压阀等组件构成。为了提高电池电堆的功率密度，通常利用空压机增加空气的压力来增加氧气分压，从而提高反应物的体积浓度。由于加压后的空气温度会上升，若压缩后的气体压力过大，则进入电堆气体的温度会超过质子交换膜的玻璃态转变温度(大约100℃)[14]，质子交换膜则会因此热解，故而有些系统会在气体进入电堆前增加中冷却器来降低气体的温度。

4)冷却系统：PEMFC的能量转换效率虽然较高，但仍在40%到60%之间，至于剩下的能量则其中的大部分以热能的形式消耗，为了保证电堆工作在合适的温度，就需要冷却系统来及时散去多余的热量。冷却系统一般以冷却液流道的形式设置在双极板中，当电池工作时，流动的冷却液就可以把各单片电池中产生的多余热量吸收并带走。除此之外，冷却系统还必须包括冷却水泵、电控风扇和散热器等组件，冷却水泵可以保证冷却液能的强制流动；电控风扇和散热器则可以把冷却液内的热量快速的散去；从而可以对电堆的温度进行有效的控制。为了提高冷却系统的降温性能，经常依据汽车发动机中冷却系统的布置方式来增设节温器，从而形成大小两个循环，并在此基础上同时加入加热冷却液的装置来提高电池的冷启动性能。