4.3.2 氢燃料电池工作原理
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子，电子通过外部的负载到达阴极。以氢气燃料作还原剂、氧气作氧化剂，通过燃料的电化学反应将化学能转变为电能，电池接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。
具体的反应过程：向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（氧气），氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。总的反应过程如下：
图4-8是一个典型的质子交换膜燃料电池（PEMFC）单元，主要由质子交换膜、多孔扩散层（阳极与阴极）、催化层等部分组成。
图4-8 典型的质子交换膜燃料电池单元
1）质子交换膜
质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）是质子交换膜燃料电池的核心部件，对电池性能起着关键作用。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。
2）多孔扩散层（阳极与阴极）
两片多孔气体扩散层将膜电极组合体夹在中间，主要起气体扩散和收集电流的作用。多孔扩散层的主要功能：实现气体在催化层表面的扩散；提供机械支撑；导通电流；排除反应生成水。扩散层的材质是经疏水材料处理的碳基材料（碳纸或碳布）。
3）催化层
催化层（电极）位于膜和扩散层中间。电极由催化剂和黏合剂组成，阳极和阴极都使用铂基催化剂。为促进氢氧化反应（HOR），阳极使用碳载纯铂催化剂。碳载纯铂催化剂也用于阴极氧还原反应（ORR）。
在常温常压下，质子交换膜燃料电池的理论电动势（开路电压）为1.22 V左右。但实际状况下，开路电压一般小于1.0 V。这是由于在电池内部一般不可避免地会发生氢气渗透现象。另外，电池内部的局部短路也会造成开路电压的下降，尤其是使用时间较久的电池更加会存在这个问题。