質子交換膜燃料電池(PEMFC)，也稱為聚合物電解質膜(PEM)燃料電池，是一種主要用于運輸應用、固定式燃料電池應用和便攜式燃料電池應用的燃料電池.它們的顯著特點包括較低的溫度/壓力范圍（50至100°C）和特殊的質子傳導聚合物電解質膜。PEMFC發電并以與PEM電解相反的原理運行，后者消耗電力。它們是替代航天飛機中使用的老化堿性燃料電池技術的主要候選者。

質子交換膜燃料電池由膜電極組件(MEA)構成，包括電極、電解質、催化劑和氣體擴散層。將催化劑、碳和電極的墨水噴涂或涂在固體電解質上，并在兩側熱壓復寫紙以保護電池內部并充當電極。電池的關鍵部分是三相邊界(TPB)，其中電解質、催化劑和反應物混合，因此電池反應實際發生。重要的是，膜不能導電，因此半反應不會混合。需要高于100°C的工作溫度，這樣水副產品就會變成蒸汽，水管理在電池設計中變得不那么重要。

質子交換膜燃料電池將氫和氧的電化學反應過程中釋放的化學能轉化為電能，而不是直接燃燒氫和氧氣來產生熱能。氫氣流被輸送到MEA的陽極側。在陽極側，它被催化分裂成質子和電子。這種氧化半電池反應或氫氧化反應（HOR）表示為：在陽極：新形成的質子通過聚合物電解質膜滲透到陰極側。電子沿著外部負載電路行進到MEA的陰極側，從而產生燃料電池的電流輸出。同時，氧氣流被輸送到MEA的陰極側。在陰極側，氧分子與透過聚合物電解質膜的質子和通過外電路到達的電子反應形成水分子。這種還原半電池反應或氧還原反應(ORR)表示為：在陰極：整體反應：可逆反應在方程式中表示，并顯示氫質子和電子與氧分子重新結合并形成一個水分子。每種情況下的電位都是相對于標準氫電極給出的。

為了發揮作用，膜必須傳導氫離子（質子）而不是電子，因為這實際上會使燃料電池短路。膜還必須不允許任何一種氣體通過電池的另一側，這一問題被稱為氣體交叉。最后，膜必須能夠抵抗陰極的還原環境以及陽極的惡劣氧化環境。通過使用鉑催化劑，氫分子的分裂相對容易。然而不幸的是，分裂氧分子更加困難，這會導致顯著的電損耗。尚未發現適用于該過程的催化劑材料，鉑是最佳選擇。

由于其緊湊性，PEMFC是車輛和其他各種尺寸的移動應用的主要候選者，小到手機。

基于PEM的燃料電池仍然存在很多問題：1.水資源管理水的管理對性能至關重要：如果水蒸發太慢，它會淹沒膜，并且場流板內的水積聚會阻礙氧氣流入燃料電池，但如果水蒸發太快，膜會干燥，其上的阻力增加。這兩種情況都會對穩定性和功率輸出造成損害。水管理在PEM系統中是一個非常困難的主題，主要是因為膜中的水通過極化被吸引到電池的陰極。存在多種管理水的解決方案，包括集成電滲泵。另一種解決水循環問題的創新方法是2014年ToyotaMirai使用的3D細網流場設計。FC煙囪的傳統設計通過帶有直通道和多孔金屬的加濕器將水從出風口再循環到進氣口流場[54]。流場是由肋條和通道組成的結構。然而，肋部分覆蓋氣體擴散層（GDL），由此產生的氣體傳輸距離比通道間距離長。此外，GDL和肋之間的接觸壓力也會壓縮GDL，使其厚度在肋和通道上不均勻[55]。肋的大寬度和不均勻的厚度將增加水蒸氣積聚的可能性并且氧氣將受到損害。因此，這種新設計在沒有加濕系統的情況下啟用了xxx個FC堆棧功能，同時克服了水再循環問題并實現了高功率輸出穩定性[54]。3D微晶格允許更多的氣體流動路徑；因此，它促進氣流流向膜電極和氣體擴散層組件(MEGA)，并促進O2擴散到催化劑層。與傳統流場不同的是，復雜場中的3D微晶格充當擋板，并在GDL和流場之間引起頻繁的微尺度界面通量[53]。由于這種重復的微尺度對流流動，氧向催化劑層(CL)的傳輸和GDL中液態水的去除顯著增強。生成的水通過流場快速抽出，防止在孔隙內積聚。因此，2.催化劑的脆弱性膜上的鉑催化劑很容易被一氧化碳毒害，一氧化碳通常存在于甲烷重整形成的產物氣體中（通常不超過百萬分之一是可以接受的）。這通常需要使用水煤氣變換反應來消除產品氣體中的CO并形成更多的氫氣。此外，膜對金屬離子的存在很敏感，這可能會損害質子傳導機制，并且可以通過金屬雙極板的腐蝕、燃料電池系統中的金屬部件或燃料/氧化劑中的污染物引入。建議使用重整甲醇的PEM系統，如戴姆勒克萊斯勒Necar5；然而，重整甲醇，即使其反應獲得氫氣，是一個非常復雜的過程，還需要從反應產生的一氧化碳中提純。鉑釕催化劑是必要的，因為一些一氧化碳將不可避免地到達膜。該水平不應超過百萬分之十。此外，這種重整反應器的啟動時間約為半小時。或者，甲醇和一些其他生物燃料可以直接供給PEM燃料電池而不進行重整，從而制成直接甲醇燃料電池(DMFC)。這些設備的成功率有限。3.工作溫度限制最常用的膜是Chemours的Nafion，它依靠膜的液態水加濕來傳輸質子。這意味著使用高于80至90°C的溫度是不可行的，因為膜會變干。其他較新的膜類型，基于聚苯并咪唑(PBI)或磷酸，可以在不使用任何水管理的情況下達到高達220°C（另請參見高溫質子交換膜燃料電池，HT-PEMFC）：更高的溫度允許更好的效率、功率密度、易于冷卻（因為允許的溫差較大）、降低對一氧??化碳中毒的敏感性和更好的可控性（因為膜中沒有水管理問題）；然而，這些最近的類型并不常見。PBI可以用磷酸或硫酸摻雜，并且電導率與摻雜量和溫度成比例。在高溫下，很難保持Nafion水合，但這種酸摻雜材料不使用水作為質子傳導的介質。它還表現出比Nafion更好的機械性能、更高的強度并且更便宜。然而，酸浸是一個相當大的問題，并且與催化劑混合形成油墨的加工過程已被證明是棘手的。芳族聚合物，例如PEEK，比聚四氟乙烯（PTFE和Nafion的主鏈）便宜得多，并且它們的極性特性導致水合作用比Nafion對溫度的依賴性更小。然而，PEEK的離子導電性遠低于Nafion，因此是不太有利的電解質選擇。最近，

電極通常由碳載體、Pt顆粒、Nafion離聚物和/或Teflon粘合劑組成。碳載體起到電導體的作用；Pt顆粒是反應位點；離聚物為質子傳導提供了路徑，特氟隆粘合劑增加了電極的疏水性，以xxx限度地減少潛在的溢流。為了在電極上進行電化學反應，質子、電子和反應氣體（氫氣或氧氣）必須進入電極中催化劑的表面，而產物水可以是液相或氣相，或兩相，必須能夠從催化劑滲透到氣體出口。這些特性通常通過聚合物電解質粘合劑（離聚物）和負載在碳顆粒上的催化劑納米顆粒的多孔復合材料來實現。通常鉑用作陽極和陰極電化學反應的催化劑，而納米顆粒實現高表面重量比（如下文進一步描述），從而減少昂貴的鉑的量。聚合物電解質粘合劑提供離子電導率，而催化劑的碳載體提高了電導率并實現了低鉑金屬負載。復合電極的電導率通??常是質子電導率的40倍以上。而催化劑的碳載體提高了電導率并實現了低鉑金屬負載。復合電極的電導率通??常是質子電導率的40倍以上。而催化劑的碳載體提高了電導率并實現了低鉑金屬負載。復合電極的電導率通??常是質子電導率的40倍以上。

GDL電連接催化劑和集電器。它必須是多孔的、導電的和薄的。反應物必須能夠到達催化劑，但電導率和孔隙率可以作為相反的力。最佳情況下，GDL應由大約三分之一的Nafion或15%PTFE組成。GDL中使用的碳顆粒可以大于催化劑中使用的碳顆粒，因為表面積不是該層中最重要的變量。GDL的厚度應在15–35μm左右，以平衡所需的孔隙率和機械強度。通常，在GDL和催化劑層之間添加中間多孔層，以緩解GDL中的大孔和催化劑層中的小孔隙之間的過渡。由于GDL的主要功能是幫助去除水、產品、當水有效地阻塞GDL時，就會發生洪水。這限制了反應物接近催化劑的能力并顯著降低了性能。Teflon可以涂在GDL上以限制溢流的可能性。在GDLS中分析了幾個微觀變量，例如：孔隙度、曲折度和滲透率。這些變量對燃料電池的行為有影響。

應用吉布斯自由能方程ΔG=-237.13kJ/mol并使用氫的熱值(ΔH=-285.84kJ/mol)在298K時的xxx理論效率為83%。PEM的實際效率在50-60%范圍內。造成損失的主要因素有：

• 激活損失
• 歐姆損耗
• 大宗運輸損失

金屬有機框架(MOF)是一類相對較新的多孔、高結晶材料，由通過有機接頭連接的金屬節點組成。由于操作或取代金屬中心和配體的簡單性，實際上存在無限數量的可能組合，這從設計的角度來看是有吸引力的。由于其可調節的孔徑、熱穩定性、高容量、大表面積和理想的電化學特性，MOFs表現出許多獨特的特性。在其眾多不同用途中，MOF有望成為清潔能源應用的候選者，例如儲氫、氣體分離、超級電容器、鋰離子電池、太陽能電池和燃料電池。在燃料電池研究領域，作為電解質材料，加入MOF乍一看似乎是違反直覺的。燃料電池膜通常具有低孔隙率以防止燃料交叉和陽極和陰極之間的電壓損失。此外，膜往往具有低結晶度，因為在無序材料中離子的傳輸更有利。另一方面，孔隙可以填充額外的離子載體，最終提高系統的離子電導率，高結晶度使設計過程不那么復雜。PEMFC的良好電解質的一般要求是：高質子傳導率（實際應用中>10-2S/cm）以實現電極之間的質子傳輸，在燃料電池操作條件下（環境濕度、可變溫度、抗有毒物種等）、低成本、可加工成薄膜的能力以及與其他電池組件的整體兼容性。雖然聚合物材料目前是質子傳導膜的首選，但它們需要加濕以獲得足夠的性能，并且有時會由于水合效應而物理降解，從而導致效率損失。如前所述，Nafion還受到脫水溫度<100°C的限制，這會導致反應動力學變慢、成本效率低、Pt電極催化劑的CO中毒。相反，MOF在低溫和高溫條件下以及在廣泛的濕度條件下都顯示出令人鼓舞的質子電導率。在100°C以下和水合條件下，氫鍵和溶劑水分子的存在有助于質子傳輸，而無水條件適用于100°C以上的溫度。除了將電荷載體（即水、酸等）包含到它們的孔中之外，MOF還具有通過框架本身表現出質子傳導性的明顯優勢。氫鍵和溶劑水分子的存在有助于質子傳輸，而無水條件適用于100°C以上的溫度。除了將電荷載體（即水、酸等）包含到它們的孔中之外，MOF還具有通過框架本身表現出質子傳導性的明顯優勢。氫鍵和溶劑水分子的存在有助于質子傳輸，而無水條件適用于100°C以上的溫度。除了將電荷載體（即水、酸等）包含到它們的孔中之外，MOF還具有通過框架本身表現出質子傳導性的明顯優勢。一個低溫的例子是Kitagawa等人的工作。他使用二維草酸鹽橋接陰離子層框架作為主體，并將銨陽離子和己二酸分子引入孔中以增加質子濃度。結果是MOF在25°C和98%相對濕度(RH)下顯示“超質子”電導率(8×10-3S/cm)的首批實例之一。他們后來發現，增加引入孔中的陽離子的親水性可以進一步提高質子傳導性。在這種取決于水合程度的低溫狀態下，質子傳導率在很大程度上取決于濕度水平。高溫無水的例子是PCMOF2，它由與三磺化苯衍生物配位的鈉離子組成。為了提高性能并允許更高的工作溫度，水可以被孔隙內揮發性較低的咪唑或三唑分子代替作為質子載體。達到的最高溫度為150°C，最佳電導率為5×10-4S/cm，低于當前其他電解質膜。然而，該模型在其溫度狀態、無水條件和控制孔內客體分子數量的能力方面具有前景，所有這些都允許質子電導率的可調性。此外，將負載三唑的PCMOF2結合到H2/空氣膜電極組件中，實現了1的開路電壓。100°C時為18V，可穩定72小時，并在整個測試過程中保持氣密。這是xxx個證明MOFs實際上可以應用于功能性燃料電池的實例，中等電位差表明由于孔隙率引起的燃料交叉不是問題。迄今為止，MOF電解質的最高質子電導率為4.2×10?2S/cm，溫度為25°C，潮濕條件下（98%RH），與Nafion相媲美。最近的一些實驗甚至成功地生產了薄膜MOF膜，而不是傳統的大塊樣品或單晶，這對于它們的工業實用性至關重要。一旦MOF能夠始終如一地達到足夠的電導率水平、機械強度、水穩定性和簡單的加工，它們就有可能在不久的將來在PEMFC中發揮重要作用。MOFs也被定位為電極催化劑鉑族金屬(PGM)材料的潛在替代品，盡管這項研究仍處于早期發展階段。在PEMFC中，Pt陰極的氧還原反應(ORR)明顯慢于陽極的燃料氧化反應，因此正在研究非PGM和無金屬催化劑作為替代品。MOF中的高體積密度、大孔表面積和金屬離子位點的開放性使其成為催化劑前體的理想候選者。盡管具有良好的催化能力，但這些提出的基于MOF的催化劑的耐久性目前并不理想，并且在這種情況下的ORR機制仍未完全了解。

目前關于PEM燃料電池催化劑的大部分研究可歸類為具有以下主要目標之一：

• 獲得比當前PEM燃料電池中使用的標準碳負載鉑顆粒催化劑更高的催化活性
• 減少雜質氣體對PEM燃料電池催化劑的中毒
• 由于使用鉑基催化劑而降低燃料電池的成本
• 提高無鉑族金屬電催化劑的ORR活性

以下部分給出了這些方法的示例。

如上所述，鉑是迄今為止用于PEM燃料電池催化劑的最有效元素，幾乎所有當前的PEM燃料電池都使用多孔碳載體上的鉑顆粒來催化氫氧化和氧還原。然而，由于成本高昂，目前的Pt/C催化劑無法商業化。美國能源部估計，鉑基催化劑的使用量將比當前PEM燃料電池設計中使用的鉑少大約四倍，才能成為內燃機的現實替代品。因此，PEM燃料電池催化劑設計的一個主要目標是將鉑的催化活性提高4倍，這樣只需四分之一的貴金屬即可實現類似的性能。提高鉑催化劑性能的一種方法是優化鉑顆粒的尺寸和形狀。單獨減小顆粒尺寸會增加可用于參與反應的每單位鉑體積催化劑的總表面積，但最近的研究已經證明了進一步改善催化性能的其他方法。例如，一項研究報告稱，鉑納米粒子的高指數面（即具有大整數的米勒指數，例如Pt(730)）比典型的鉑納米粒子提供了更高密度的氧還原反應位點。由于最常見和最有效的催化劑鉑非常昂貴，因此需要進行替代處理以xxx限度地增加表面積并xxx限度地減少負載。將納米尺寸的Pt顆粒沉積在碳粉(Pt/C)上可提供大的Pt表面積，而碳允許催化劑與電池的其余部分之間進行電連接。鉑之所以如此有效，是因為它具有高活性，并且與氫的結合力剛好足以促進電子轉移，但不會抑制氫繼續在電池周圍移動。然而，鉑在陰極氧還原反應中的活性較低。這需要使用更多的鉑，增加了電池的成本，從而增加了可行性。由于電池的極端酸性，許多潛在的催化劑選擇被排除在外。實現納米級Pt碳粉的最有效方法是真空沉積、濺射和電沉積，這是目前xxx的選擇。鉑顆粒沉積在滲透有PTFE的碳紙上。然而，這種催化劑層有一個最佳的厚度，這限制了成本的下限。在4nm以下，Pt將在紙上形成孤島，限制其活動。超過這個厚度，Pt將覆蓋碳并成為有效的催化劑。更復雜的是，Nafion不能滲透超過10微米，因此使用比這更多的Pt是不必要的費用。因此催化劑的數量和形狀受到其他材料的限制。增加鉑催化活性的第二種方法是將其與其他金屬合金化。例如，最近表明Pt3Ni(111)表面的氧還原活性比純Pt(111)高10倍。作者將這種顯著的性能提升歸因于對表面電子結構的修改，降低了其與PEM燃料電池中存在的含氧離子物質結合的趨勢，從而增加了氧吸附和還原的可用位點的數量。使用超聲波噴嘴在大氣條件下將鉑催化劑施加到電解質層或碳紙上，可以實現進一步的效率，從而實現高效噴涂。研究表明，由于這種噴霧產生的液滴尺寸均勻，由于技術的高傳遞效率，由于噴嘴的不堵塞特性，最后由于超聲波能量釋放-在霧化之前凝聚懸浮液，以這種方式制造的燃料電池MEA在最終的MEA中具有更高的均勻性，并且通過電池的氣流更加均勻，xxx限度地提高了MEA中鉑的效率。最近使用噴墨印刷在膜上沉積催化劑的研究也表明，由于沉積的催化劑層厚度減小，催化劑利用率很高。最近，在Pt-M（M-Fe和Co）系統中引入了一類新的ORR電催化劑，該系統具有封裝在富Pt殼內的有序金屬間化合物核。與許多以前的設計相比，這些金屬間核殼(IMCS)納米催化劑被發現具有增強的活性，最重要的是，具有延長的耐久性。雖然觀察到的活性增強歸因于應變晶格，但作者報告說，他們對降解動力學的研究結果表明，延長的催化耐久性可歸因于持續的原子順序。

提高催化劑性能的另一種流行方法是降低其對燃料源中雜質的敏感性，尤其是一氧化碳(CO)。目前，通過電解大量生產純氫氣正變得經濟。然而，目前氫氣是通過蒸汽重整輕烴產生的，該過程產生的氣體混合物還含有CO（1-3%）、CO2（19-25%）和N2（25%）。即使是百萬分之幾十的二氧化碳也會使純鉑催化劑中毒，因此提高鉑對二氧化碳的抵抗力是一個活躍的研究領域。例如，一項研究報告說，與具有相似尺寸的隨機刻面鉑納米顆粒相比，具有(100)個晶面的立方體形鉑納米顆粒的氧還原活性增加了四倍。作者得出結論，隨機形狀納米粒子的(111)晶面與硫酸根離子的結合比(100)晶面更牢固，從而減少了對氧分子開放的催化位點的數量。相比之下，他們合成的納米立方體幾乎只有(100)個晶面，已知這些晶面與硫酸鹽的相互作用更弱。結果，這些顆粒的較大部分表面積可用于還原氧氣，從而提高了催化劑的氧氣還原活性。此外，研究人員一直在研究在氫燃料進入燃料電池之前降低其CO含量的方法，以避免催化劑中毒。最近的一項研究表明，釕-鉑核殼納米粒子在氧化CO形成CO2方面特別有效，CO2是一種危害較小的燃料污染物。產生這種效應的機制在概念上類似于上述Pt3Ni的描述：粒子的釕核改變了鉑表面的電子結構，使其能夠更好地催化CO的氧化。

如今，PEM燃料電池的可行性挑戰仍然在于其成本和穩定性。高成本在很大程度上可歸因于在PEM電池的催化劑層中使用了貴金屬鉑。電催化劑目前占燃料電池堆成本的近一半。盡管PEM燃料電池的Pt負載在過去十年中減少了兩個數量級，但仍需要進一步減少以使該技術在經濟上具有商業化可行性。盡管一些研究工作旨在通過提高Pt基催化劑的電催化活性來解決這個問題，但另一種方法是通過開發性能可與Pt相媲美的非鉑族金屬（非PGM）陰極催化劑來完全消除Pt的使用基于Pt的技術。美國Pt基催化劑的有希望的替代品是金屬/氮/碳催化劑（M/N/C催化劑）。為了實現高功率密度或電池表面積上的功率輸出，必須滿足至少1/10的Pt基催化劑的體積活性，以及??良好的傳質性能。雖然M/N/C催化劑仍表現出比Pt基催化劑更差的體積活性，但此類催化劑的成本降低允許更大的負載量進行補償。然而，增加M/N/C催化劑的負載量也會使催化層變厚，從而削弱其傳質性能。換言之，H2、O2、質子和電子更難以通過催化層遷移，從而降低了電池的電壓輸出。雖然M/N/C催化網絡的高微孔率導致高體積活性，相反，改進的質量傳輸特性與網絡的大孔隙率相關。這些M/N/C材料是使用含有金屬、氮和碳的前體的高溫熱解和其他高溫處理來合成的。最近，研究人員開發了一種由乙酸鐵(II)(FeAc)、菲咯啉(Phen)和金屬有機框架(MOF)主體衍生的Fe/N/C催化劑。MOF是一種稱為ZIF-8的Zn(II)沸石咪唑酯骨架(ZIF)，它具有高微孔表面積和高氮含量，有助于ORR活性。FeAc/Phen/ZIF-8催化劑的功率密度在0.6V時為0.75Wcm-2。該值比之前M/N/C的xxx0.37Wcm-2功率密度有了顯著提高-催化劑，并且更接近于匹配Pt負載量為0.3mgcm-2的Pt基催化劑的典型值1.0-1.2Wcm-2。該催化劑還表現出230A·cm-3的體積活性，這是迄今為止非PGM催化劑的最高值，接近美國能源部的里程碑。雖然新型FeAc/Phen/ZIF-8催化劑實現的功率密度是有希望的，但其耐用性仍然不足以用于商業應用。據報道，該催化劑表現出的最佳耐久性在H2/空氣中100小時內仍具有15%的電流密度下降。因此，雖然Fe基非PGM催化劑在電催化活性方面可與Pt基催化劑相媲美，但在了解其降解機制和提高其耐久性方面仍有許多工作要做。

PEM燃料電池的主要應用集中在交通運輸上，主要是因為它們對環境的潛在影響，例如控制溫室氣體(GHG)的排放。其他應用包括分布式/固定式和便攜式發電。由于與其他類型的燃料電池相比，PEM燃料電池具有高功率密度和出色的動態特性，因此大多數主要汽車公司只使用PEM燃料電池。由于重量輕，PEMFC最適合運輸應用。使用壓縮氫作為燃料的公共汽車PEMFC可以以高達40%的效率運行。通常，PEMFC是在小型汽車上的公共汽車上實施的，因為有足夠的空間來容納系統和儲存燃料。交通技術問題涉及將PEM納入當前的車輛技術和更新能源系統。如果氫氣來自化石燃料，則全燃料電池汽車沒有優勢；但是，當它們作為混合體實施時，它們會變得有益。PEMFC有潛力用于固定發電，它們以30%的效率提供5kW；但是，它們會與其他類型的燃料電池競爭，主要是SOFC和MCFC。雖然PEMFC通常需要高純度氫氣才能運行，但其他燃料電池類型可以使用甲烷運行，因此是更靈活的系統。因此，PEMFC最適合小規模系統，直到獲得經濟上可擴展的純氫。此外，PEMFC可以替代便攜式電子產品的電池。

在PEM燃料電池發明之前，現有的燃料電池類型，如固體氧化物燃料電池，僅在極端條件下應用。這種燃料電池還需要非常昂貴的材料，并且由于它們的尺寸只能用于固定應用。PEM燃料電池解決了這些問題。PEM燃料電池是1960年代初由通用電氣公司的WillardThomasGrubb和LeonardNiedrach發明的。最初，磺化聚苯乙烯膜用于電解質，但在1966年被Nafion離子聚合物取代，證明其在性能和耐久性方面優于磺化聚苯乙烯。PEM燃料電池曾用于NASAGemini系列航天器，但在阿波羅計劃和航天飛機中被堿性燃料電池取代。通用電氣繼續研究PEM電池，并在1970年代中期開發了用于海底生命支持的PEM水電解技術，導致了美國海軍制氧廠的誕生。英國皇家海軍在1980年代初期為其潛艇艦隊采用了這項技術。在1980年代末和1990年代初，洛斯阿拉莫斯國家實驗室和德克薩斯A&M大學嘗試了減少PEM電池所需鉑量的方法。與PrattandWhitneyAircraft并行，通用電氣在1960年代初為雙子座太空任務開發了xxx批質子交換膜燃料電池(PEMFC)。xxx個使用PEMFC的任務是GeminiV。然而，阿波羅太空任務以及隨后的阿波羅聯盟號、天空實驗室和航天飛機任務使用了基于培根設計的燃料電池，該設計由普惠飛機公司開發。使用了極其昂貴的材料，燃料電池需要非常純凈的氫氣和氧氣。早期的燃料電池往往需要不方便的高工作溫度，這在許多應用中都是一個問題。然而，由于大量可用的燃料（氫和氧），燃料電池被認為是可取的。盡管它們在太空計劃中取得了成功，但燃料電池系統僅限于太空任務和其他可以承受高成本的特殊應用。直到1980年代末和1990年代初，燃料電池才成為更廣泛應用基礎的真正選擇。一些關鍵的創新，如低鉑催化劑負載和薄膜電極，降低了燃料電池的成本，使PEMFC系統的開發更加現實。然而，關于氫燃料電池是否會成為用于汽車或其他車輛的現實技術存在重大爭議。（參見氫經濟。）PEMFC的大部分生產是為豐田Mirai生產的。美國能源部估計，如果每年生產500,000臺，2016年的價格為53美元/千瓦。