氢燃料电池汽车由于具有无污染、高效率、载重高、加氢快和续航长等优点，未来将全面替代内燃机汽车。甚至于世界各国都在积极发展氢能源并制定了相应的路线图，例如加氢站建设。

今天，EDN就带大家了解下，燃料电池是什么，以及目前都有哪些技术。

什么是燃料电池?

简单地说，燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料(氢、天然气或甲醇等)与氧化剂(例如空气)中的化学能直接转化为电能的发电装置。在此过程中，燃料并不发生燃烧，因此不受热力学定律(卡诺循环效应)的限制，也就效率高。此外，由于没有机械传动部件，因此没有噪声污染，排放出的有害气体极少。

从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。它利用我们周围各种化合物中所富含的氢和氧来发电，所产生的废物只不过是水。

燃料电池的分类、工作原理及其特点

碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务(包括航天飞机)提供动力和饮用水。  

碱性燃料电池的低温性能好，温度范围宽，并且可以在较宽温度范围内选择催化剂，但是碱性电解质易受CO2中和，因此必须要严格除去CO2，成本就偏高。

磷酸燃料电池

磷酸燃料电池的效率比其他燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。虽然磷酸燃料电池具有上述缺点，它也拥有许多优点，例如构造简单、稳定、电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力。

它采用磷酸为电解质，利用廉价的炭材料为骨架。它除了以氢气为燃料外，现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料。与碱性氢氧燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO2处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的，也是目前最成熟的燃料电池，它代表了燃料电池的主要发展方向。

熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。

电解质是熔融态碳酸盐。反应原理示意图如下：

熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600℃~700℃)，具有效率高(高于40%)、噪音低、无污染、燃料多样化(氢气、煤气、天然气和生物燃料等)、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点，是下一世纪的绿色电站。

固体氧化物燃料电池(SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染地转化成电能的全固态化学发电装置。业界普遍认为这种燃料电池未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛普及应用。

固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于直流电源，阳极即电源负极，阴极为电源正极。

在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面会吸附氧，由于阴极本身的催化作用，会使O2得到电子变为O2-。在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。

SOFC与第一代燃料电池(磷酸型燃料电池)、第二代燃料电池(熔融碳酸盐燃料电池)相比有如下优点：电流密度和功率密度较高;可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂;避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题;能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80%左右，是一种清洁高效的能源系统;广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构;陶瓷电解质要求中、高温运行(600~1000℃)，加快了电池的反应速度，还可实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在原理上也相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于直流电源，阳极即电源负极，阴极为电源正极。

表：各种燃料电池对比。(来源：DOE，国金证券研究所)