质子交换膜燃料电池是在电动汽车上最有应用前景的电力能源之一。组成质子交换膜燃料电池的基本单元是单体燃料电池。如前所述，单体电池的电化学电动势大约1 V左右，其电流密度约为100 mA/cm²。因此，一个实用化的质子交换膜燃料电池系统，必须通过单体电池的串联和并联形成具有一定功率的电池组，才能满足绝大多数用电负载的需求。此外，还要为系统配置氢燃料储存单元，空气（氧化剂）供给单元，电池组温度、湿度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等，将燃料电池组成为一个连续、稳定的供电电源。

1)燃料电池组（堆），质子交换膜燃料电池的单体电池，其化学电动势为1.0~1.2V，负载时的输出端口电压为0.6~0.8V。为满足负载的额定工作电压，必须将单体电池串联起来构成具有较高电口珀勺电池组。由于受到材料（如质子交换膜等）及工艺水平的限制，单体电池的输出电流密度约为300~600mA/cm²，因此，欲提高燃料电池的输出电流能力，只能将若干串联的电池组并联，组成具有较大输出能力的燃料电池堆。由于燃料电池堆是南大量的单体电池串并联而成的，因而，存在着向每个单体电池供给燃料与氧化剂的均匀性和电池组热管理问题。

2)燃料及氧化剂的储存与供给单元。为使质子交换膜燃料电池实现连续稳定的运行发电，必须配置燃料及氧化剂的储存与供给单元，以便不间断地向燃料电池提供电化学反应所需的氢和氧。燃料供给部分由储氢器及减压阀组成；氧化剂供给部分由储氧器、减压阀或空气泵组成。

质子交换膜燃料电池 

质子交换膜燃料电池(PEMFC)，也称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，是一种主要用于运输应用、固定式燃料电池应用和便携式燃料电池应用的燃料电池.它们的显着特点包括较低的温度/压力范围（50至100°C）和特殊的质子传导聚合物电解质膜。PEMFC发电并以与PEM电解相反的原理运行，后者消耗电力。它们是替代航天飞机中使用的老化碱性燃料电池技术的主要候选者。

科学 质子交换膜燃料电池由膜电极组件(MEA)构成，包括电极、电解质、催化剂和气体扩散层。将催化剂、碳和电极的墨水喷涂或涂在固体电解质上，并在两侧热压复写纸以保护电池内部并充当电极。电池的关键部分是三相边界(TPB)，其中电解质、催化剂和反应物混合，因此电池反应实际发生。重要的是，膜不能导电，因此半反应不会混合。需要高于100°C的工作温度，这样水副产品就会变成蒸汽，水管理在电池设计中变得不那么重要。

反应 质子交换膜燃料电池将氢和氧的电化学反应过程中释放的化学能转化为电能，而不是直接燃烧氢和氧气来产生热能。氢气流被输送到MEA的阳极侧。在阳极侧，它被催化分裂成质子和电子。这种氧化半电池反应或氢氧化反应（HOR）表示为：在阳极：新形成的质子通过聚合物电解质膜渗透到阴极侧。电子沿着外部负载电路行进到MEA的阴极侧，从而产生燃料电池的电流输出。同时，氧气流被输送到MEA的阴极侧。在阴极侧，氧分子与透过聚合物电解质膜的质子和通过外电路到达的电子反应形成水分子。这种还原半电池反应或氧还原反应(ORR)表示为：在阴极：整体反应：可逆反应在方程式中表示，并显示氢质子和电子与氧分子重新结合并形成一个水分子。每种情况下的电位都是相对于标准氢电极给出的。

聚合物电解质膜 为了发挥作用，膜必须传导氢离子（质子）而不是电子，因为这实际上会使燃料电池短路。膜还必须不允许任何一种气体通过电池的另一侧，这一问题被称为气体交叉。最后，膜必须能够抵抗阴极的还原环境以及阳极的恶劣氧化环境。通过使用铂催化剂，氢分子的分裂相对容易。然而不幸的是，分裂氧分子更加困难，这会导致显着的电损耗。尚未发现适用于该过程的催化剂材料.

优势由于其紧凑性，PEMFC是车辆和其他各种尺寸的移动应用的主要候选者，小到手机。

电极

电极通常由碳载体、Pt颗粒、Nafion离聚物和/或Teflon粘合剂组成。碳载体起到电导体的作用；Pt颗粒是反应位点；离聚物为质子传导提供了路径，特氟隆粘合剂增加了电极的疏水性，以xxx限度地减少潜在的溢流。为了在电极上进行电化学反应，质子、电子和反应气体（氢气或氧气）必须进入电极中催化剂的表面，而产物水可以是液相或气相，或两相，必须能够从催化剂渗透到气体出口。这些特性通常通过聚合物电解质粘合剂（离聚物）和负载在碳颗粒上的催化剂纳米颗粒的多孔复合材料来实现。通常铂用作阳极和阴极电化学反应的催化剂，而纳米颗粒实现高表面重量比（如下文进一步描述），从而减少昂贵的铂的量。聚合物电解质粘合剂提供离子电导率，而催化剂的碳载体提高了电导率并实现了低铂金属负载。复合电极的电导率通常是质子电导率的40倍以上。而催化剂的碳载体提高了电导率并实现了低铂金属负载。复合电极的电导率通常是质子电导率的40倍以上。而催化剂的碳载体提高了电导率并实现了低铂金属负载。复合电极的电导率通常是质子电导率的40倍以上。

气体扩散层

GDL电连接催化剂和集电器。它必须是多孔的、导电的和薄的。反应物必须能够到达催化剂，但电导率和孔隙率可以作为相反的力。******情况下，GDL应由大约三分之一的Nafion或15%PTFE组成。GDL中使用的碳颗粒可以大于催化剂中使用的碳颗粒，因为表面积不是该层中最重要的变量。GDL的厚度应在15–35µm左右，以平衡所需的孔隙率和机械强度。通常，在GDL和催化剂层之间添加中间多孔层，以缓解GDL中的大孔和催化剂层中的小孔隙之间的过渡。由于GDL的主要功能是帮助去除水、产品、当水有效地阻塞GDL时，就会发生洪水。这限制了反应物接近催化剂的能力并显着降低了性能。Teflon可以涂在GDL上以限制溢流的可能性。在GDLS中分析了几个微观变量，例如：孔隙度、曲折度和渗透率。这些变量对燃料电池的行为有影响。

效率应用吉布斯自由能方程ΔG=-237.13kJ/mol并使用氢的热值(ΔH=-285.84kJ/mol)在298K时的xxx理论效率为83%。PEM的实际效率在50-60%范围内。造成损失的主要因素有：

激活损失

欧姆损耗

大宗运输损失

金属有机框架 

金属有机框架(MOF)是一类相对较新的多孔、高结晶材料，由通过有机接头连接的金属节点组成。由于操作或取代金属中心和配体的简单性，实际上存在无限数量的可能组合，这从设计的角度来看是有吸引力的。由于其可调节的孔径、热稳定性、高容量、大表面积和理想的电化学特性，MOFs表现出许多独特的特性。在其众多不同用途中，MOF有望成为清洁能源应用的候选者，例如储氢、气体分离、超级电容器、锂离子电池、太阳能电池和燃料电池。在燃料电池研究领域，作为电解质材料，加入MOF乍一看似乎是违反直觉的。燃料电池膜通常具有低孔隙率以防止燃料交叉和阳极和阴极之间的电压损失。此外，膜往往具有低结晶度，因为在无序材料中离子的传输更有利。另一方面，孔隙可以填充额外的离子载体，最终提高系统的离子电导率，高结晶度使设计过程不那么复杂。PEMFC的良好电解质的一般要求是：高质子传导率（实际应用中>10-2S/cm）以实现电极之间的质子传输，在燃料电池操作条件下（环境湿度、可变温度、抗有毒物种等）、低成本、可加工成薄膜的能力以及与其他电池组件的整体兼容性。虽然聚合物材料目前是质子传导膜的******，但它们需要加湿以获得足够的性能，并且有时会由于水合效应而物理降解，从而导致效率损失。如前所述，Nafion还受到脱水温度<100°C的限制，这会导致反应动力学变慢、成本效率低、Pt电极催化剂的CO中毒。相反，MOF在低温和高温条件下以及在广泛的湿度条件下都显示出令人鼓舞的质子电导率。在100°C以下和水合条件下，氢键和溶剂水分子的存在有助于质子传输，而无水条件适用于100°C以上的温度。除了将电荷载体（即水、酸等）包含到它们的孔中之外，MOF还具有通过框架本身表现出质子传导性的明显优势。氢键和溶剂水分子的存在有助于质子传输，而无水条件适用于100°C以上的温度。除了将电荷载体（即水、酸等）包含到它们的孔中之外，MOF还具有通过框架本身表现出质子传导性的明显优势。氢键和溶剂水分子的存在有助于质子传输，而无水条件适用于100°C以上的温度。除了将电荷载体（即水、酸等）包含到它们的孔中之外，MOF还具有通过框架本身表现出质子传导性的明显优势。一个低温的例子是Kitagawa等人的工作。他使用二维草酸盐桥接阴离子层框架作为主体，并将铵阳离子和己二酸分子引入孔中以增加质子浓度。结果是MOF在25°C和98%相对湿度(RH)下显示“超质子”电导率(8×10-3S/cm)的首批实例之一。他们后来发现，增加引入孔中的阳离子的亲水性可以进一步提高质子传导性。在这种取决于水合程度的低温状态下，质子传导率在很大程度上取决于湿度水平。高温无水的例子是PCMOF2，它由与三磺化苯衍生物配位的钠离子组成。为了提高性能并允许更高的工作温度，水可以被孔隙内挥发性较低的咪唑或三唑分子代替作为质子载体。达到的最高温度为150°C，******电导率为5×10-4S/cm，低于当前其他电解质膜。然而，该模型在其温度状态、无水条件和控制孔内客体分子数量的能力方面具有前景，所有这些都允许质子电导率的可调性。此外，将负载三唑的PCMOF2结合到H2/空气膜电极组件中，实现了1的开路电压。100°C时为18V，可稳定72小时，并在整个测试过程中保持气密。这是xxx个证明MOFs实际上可以应用于功能性燃料电池的实例，中等电位差表明由于孔隙率引起的燃料交叉不是问题。迄今为止，MOF电解质的最高质子电导率为4.2×10−2S/cm，温度为25°C，潮湿条件下（98%RH），与Nafion相媲美。最近的一些实验甚至成功地生产了薄膜MOF膜，而不是传统的大块样品或单晶，这对于它们的工业实用性至关重要。一旦MOF能够始终如一地达到足够的电导率水平、机械强度、水稳定性和简单的加工，它们就有可能在不久的将来在PEMFC中发挥重要作用。MOFs也被定位为电极催化剂铂族金属(PGM)材料的潜在替代品，尽管这项研究仍处于早期发展阶段。在PEMFC中，Pt阴极的氧还原反应(ORR)明显慢于阳极的燃料氧化反应，因此正在研究非PGM和无金属催化剂作为替代品。MOF中的高体积密度、大孔表面积和金属离子位点的开放性使其成为催化剂前体的理想候选者。尽管具有良好的催化能力，但这些提出的基于MOF的催化剂的耐久性目前并不理想，并且在这种情况下的ORR机制仍未完全了解。