燃料电池强大基因有好几个涉及到燃料电池的核心部件——膜电极，如图 ( 3 )所示。该膜电极包括质子交换膜、纳米铂催化剂、气体扩散层这三个主要组成部分，每个部分都代表一个燃料电池的强大基因。下面我们将进行一一讲解。

图 ( 3 ) 氢燃料电池核心部件——膜电极示意图，质子交换膜、纳米铂催化剂、气体扩散层的相互位置关系图。

首先是处于膜电极中心部分的质子交换膜，如图 ( 3 )所示。大家先回顾一下图 ( 1 )中英国科学家William Grove于1839年第一次演示了燃料电池，他里面用到的是硫酸。随着科学技术的进步，液态的硫酸被质子交换膜所取代。质子交换膜的英文名字叫做proton exchange membrane，缩写为PEM，它提供了纳米尺度的固态的质子通道，起到了跟液态硫酸一样的作用。那么这种纳米尺度的固态的质子通道有什么特别之处呢？

首先，我们要知道，任何电池的内部都需要电解质和电解质通道。最常见的电解质就是我们每天吃的食盐，如果食盐溶解到水里就会产生电解质溶液，里面包含了带正电荷的钠离子（Na⁺）和带负电的氯离子（Cl^-），如图 ( 4 )所示。人类最早的电池——伏打电池就是利用食盐水做的，如图 ( 4 )的左图所示。在这个图里，一个伏打电池是由一个银片和一个锌片，中间夹一个含有盐水的纸片组成，其中银片为正极，而锌片为负极，如图 ( 4 )的中图所示。然而一片伏打电池的电压比较低，难以给外界供电，所以就发明了多个电池的组合——即电堆。电堆的制作也很简单，只要把很多个上述的单个电池按照同一个方向叠罗汉组合到一起就行了，如图 ( 4 )的右图所示，这种多个电池组后人一般称为伏打电堆，是意大利物理学家伏打于1800年3月20日正式对外宣布。这个发明虽然很简单，但是非常了不起，这是人类第一次可以稳定的控制电能的产生。

那么这种盐水到底起到什么作用呢？这是由于任何化学电池，包括古老的伏打电池、锂电池、干电池、燃料电池等都需要带电离子的参与。在电池的外部，我们看到的是电流的流动，给我的电器供电，而且电池的内部则是这些带电离子的运动。盐水中就有丰富的带电粒子，能够满足电池内部离子运动的需要。

图 ( 4 ) 普通溶液和伏打电池的示意图

现代的电池的原理还是跟200多年前伏打先生发明的一样，但是其中的电解质溶液发生了翻天覆地的变化。其中锂离子电池是一种多孔膜，中间填充一些特殊的电解质。而我们的质子交换膜燃料电池就用到了质子交换膜作为电解质。质子交换膜是一种非常特殊的电解质，表面上看跟我们的塑料膜一样，但是实际上带正电荷的离子可以在里面自由的穿梭。更特别的是只能是带正电荷的离子可以在其中穿梭，而带负电的离子却不可以，各种气体——包括氢气和氧气也不可以。当然，由于氢离子——也就是质子也是一种正离子，也是可以在质子交换膜里面自由的穿梭。

由于这种奇特的性质，使得氢燃料电池的制作发生了翻天覆地的变化。原来的电池中要有液态的水和电解质，很容易发生泄露，浓度变化等各种问题，而且电池的体积很大，使用起来极为不便，控制起来非常麻烦，往往只能作为发电站来使用。而质子交换膜使用之后，氢燃料电池再也不需要液态的水了，可以在干爽的状态下稳定的工作。而且质子交换膜的厚度很薄，所以使得燃料电池的体积大幅降低，这样氢燃料电池的使用变的非常方便，单位体积的能量密度得到了大幅度的提高。氢燃料电池因此可以使用在便携式电源领域、汽车领域、航天领域等，在氢能发展的过程中扮演着重要的角色。

说了半天，大家对于电解质的理解和重要性肯定有了非常深刻的认识。那么下面将进入本部分的重点，即为什么质子交换膜具有在固体状态就可以导通正离子的作用呢？这就涉及到燃料电池强大基因的揭秘之二——纳米尺度的固态的质子通道。

从图 ( 5 )的左图可以看出，质子交换膜里面含有大量的正离子，但是我们还不能直接了解质子交换膜的独特之处。只有放大之后才能看到内部的奥秘。图 ( 5 )的右图为质子交换膜的放大示意图，从图中可以看出，质子交换膜本身是一种高分子材料，只不过是一种非常特殊的高分子。它的特别之处就在于其中含有大量的小囊泡，而且各个小囊泡之间还通过纳米的通道连接在一起。更特别的是，各个小囊泡和通道里面有很多跟高分子材料相互连接的带负电的化学基团，里面还含有同等数量的带正电的离子。由于带负电的化学基团被固定在高分子材料上，不能移动，而带正电的离子是自由的，可以快速的左右移动，相当于左右的离子可以互相交换，因此就叫做阳离子交换膜。如果专门用来交换质子的，那么就叫做质子交换膜。

图 ( 5 ) 质子交换膜的微观原理示意图

经过研究发现，图中所示的是两个邻近的小囊泡，各自的尺寸大约为4纳米，而连接两个囊泡的通道的直径往往只有1纳米，通道的长度可以达到5纳米。当然，一个性能正常的质子交换膜内部肯定有数不清的小囊泡和通道，保证大量的质子可以快速的穿透质子交换膜，从而使电池正常工作。如果结合前一篇的内容就知道这个质子交换膜在燃料电池中的重要作用了，也将会认识到质子交换膜也是氢燃料电池必不可少的关键组成之一。

总而言之，由于质子交换膜的发明和使用，使得氢燃料电池变的小巧玲珑，能力提升，也使他的推广应用变为可能。然而，燃料电池是一个非常复杂的高科技产品，他还有哪些强大基因呢？

另一个强大基因，请看下一篇：超强的、能够加工能量的小不点。