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虽然燃料电池和传统的电化学电池都涉及把化学能转化成电能，且其组成也与一般电化学电池相同。但是传统的电化学电池的活性物质储存于电池内部，是利用金属和电解液之间的反应来提供电能，金属和电解液的化学性质会随着时间而改变，因此限制了电池容量。传统电化学电池的例子有铅酸蓄电池、锂离子电池等。而燃料电池只是一个催化转换元件而不是储能装置，它的正、负极本身并不包含活性物质，燃料和氧化剂都由外部供给，是一个敞开系统。燃料电池工作时，是通过燃烧它的燃料进行反应，把化学能转化为电能，电极本身在工作时并不消耗和发生变化。原则上只要反应物不断地加入，反应产物不断地排出，燃料电池就能够持续不断地发电。
总的来说，燃料电池具有以下优点 ［51 －53］ ：（1）能量转化效率高。它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺热机效率（ η ）的限制 ［62 －63］ 。燃料电池系统的燃料——电能转换效率理论上应为 100％，实际操作时其总效率也可达 60％以上，而火力发电和核电的效率大约在 30％。（2）减少大气污染。火力发电产生废气（如CO 2 ，SO 2 ，NO x 等）、废渣，而氢氧燃料电池发电后只产生水，在航天飞行器中经净化后甚至可以作为航天员的饮用水。（3）安装地点灵活。燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。（4）负荷响应快，运行质量高。燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。
燃料电池单电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的阳极（燃料极）和阴极（空气极）及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过，如图 1.2 所示。根据应用要求，采用连接体可将多个单电池连接成电堆。在单电池的阳极持续地通入燃料气体，在阴极持续地通入氧化剂气体（空气或氧气），这样在电解质的两侧就产生了电动势，离子载流子持续地通过电解质，外接电路中就产生了连续的电流。
图 1.2 燃料电池的基本结构示意图
燃料电池的品种有很多，其分类方法也是各异。可以按照运行机理、燃料的性质、工作温度、电解质的类型及结构特性等进行分类。
按照燃料电池的运行机理可以分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。按燃料的类型来分类，有直接型燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池。按照电解质的类型可以分为：（1）碱性燃料电池（alkalescence fuel cell，AFC）；（2）磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）；（3）熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell，MCFC）；（4）质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC，也称固体高分子型质子膜燃料电池）；（5）固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）等 ［64］ 。
按照燃料电池的工作温度又可分为高、中、低温型燃料电池。工作温度从室温到 373K（100℃）的为低温燃料电池，如碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）和质子交换膜燃料电池（PEMFC，工作温度为 100℃以内）；工作温度在473 K（200℃ ）～ 573 K（300℃ ）的为中温燃料电池，如磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为 200℃）；工作温度在 873K（600℃）以上的为高温燃料电池，如熔融碳酸盐型燃料电池（ MCFC，工作温度为 650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为 1000℃ ）。
按照燃料的种类可以分为：（1）氢燃料电池；（2）甲烷燃料电池；（3）甲醇燃料电池；（4）乙醇燃料电池；（5）甲苯燃料电池；（6）丁烯燃料电池等。按照结构类型可以分为管状燃料电池、平板燃料电池和单片型燃料电池等等。另有一种分类是按燃料电池开发早晚的顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。
燃料电池的工作原理相对简单，主要包括燃料氧化和氧气还原两个电极反应及离子传输过程，见图 1.3。当以氢气为燃料，氧气为氧化剂时，燃料电池的阴、阳极反应和电池总反应分别为
图 1.3 燃料电池的基本工作原理示意图
阳极：H 2 → 2H ＋ ＋ 2e －
阴极：1 ／2O 2 ＋ 2H ＋ ＋ 2e － → H 2 O
总反应：H 2 ＋ 1 ／2O 2 → H 2 O
其中，H 2 通过扩散到达阳极，在催化剂作用下被氧化成H ＋ 和e － ，随后H ＋ 穿过电解质到达阴极，而电子则通过外电路带动负载做功后也到达阴极，从而与O 2 发生还原反应。这正是水的电解反应的逆过程。
下面简单介绍一下几种主要的燃料电池的基本原理。
（1）碱性燃料电池（AFC）
碱性燃料电池是以KOH水溶液为电解质的燃料电池。KOH水溶液的质量分数一般为 30％～45％，最高可达 85％。在碱性电池中，氧化还原比在酸性电解质中容易。AFC的工作温度一般在 60～ 90℃范围，设计简单，但是不耐CO 2 。所以AFC必须采用纯氢和纯氧作为燃料和氧化剂，若使用空气作为氧化剂，在电解质溶液中将会产生碳酸盐，进而堵塞气体的扩散通道，降低电流效率，缩短电池寿命。因此，对含碳燃料AFC系统中必须配CO 2 脱除装置。图 1.4 为碱性燃料电池的工作原理示意图。在KOH电解质内部传输的离子导体为OH － ，以氢氧燃料电池为例，由于阴、阳两极的电极反应不同，在阳极一侧生成水。
图 1.4 碱性燃料电池的工作原理示意图
阳极：H 2 ＋ 2 OH － → 2 H 2 O ＋ 2 e －
阴极：1 ／2 O 2 ＋ H 2 O ＋ 2 e － → 2 OH －
总反应：H 2 ＋ 1 ／2 O 2 → H 2 O
阳极侧生成的水必须及时地排除，以免将电解质溶液稀释或者淹没多孔气体扩散电极。AFC是燃料电池中研究较早并获得成功应用的一种，但是成本较高，使它难以推广，主要在航天领域内应用。
（2）磷酸燃料电池（PAFC）
磷酸燃料电池的工作温度要比碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池的工作温度略高，在 150～ 200℃范围。以 85％的磷酸溶液为电解质，磷酸溶液通常位于碳化硅基质中。由多孔质石墨构成电极，常需使用贵金属Pt作为催化剂，所需的燃料除氢气外，还可使用煤气、天然气或甲醇。磷酸燃料电池的主要优点是构造简单、性能稳定、产热量高，与碱性氢氧燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO 2 处理设备。缺点是电导率偏低，存在漏液问题 ［65］ 。磷酸燃料电池的工作原理示意图见图 1.5。氢气燃料被加入到阳极，在催化剂作用下被氧化成为质子。氢质子和水结合成水合质子，同时释放出两个自由电子。电子向阴极运动，而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动。因此，在阴极上，电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。具体的电极反应表达如下：
图 1.5 磷酸燃料电池的工作原理示意图
阳极：H 2 → 2H ＋ ＋ 2e －
阴极：1 ／2O 2 ＋ 2H ＋ ＋ 2e － → H 2 O
总反应：H 2 ＋ 1 ／2O 2 → H 2 O
目前，PAFC在城市发电、供气及其他工业项目上广为试用。另外，还有一种采用生物气体燃料的PAFC体系已被开发，可用在废弃物质的处理上。大规模使用生物沼气的PAFC可望在将来应用于垃圾回收领域，解决社会难题。
（3）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
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。其电解质是熔融态碱金属的碳酸盐。图1.6 为熔融碳酸盐燃料电池的工作原理示意图。导电离子为碳酸根离子，当燃料为氢气，氧化剂为氧气或空气加二氧化碳，其阴、阳两极反应及电池总反应如下：
阳极：H
2
＋
－→ CO
2
＋ H
2
O ＋ 2e
－
阴极：1 ／2 O
2
＋ CO
2
＋ 2 e
－
→
总反应：H 2 ＋ 1 ／2O 2 ＋ CO 2 （阴极）→ H 2 O ＋ CO 2 （阳极）
熔融碳酸盐燃料电池是一种高温燃料电池（600～ 700℃），具有效率高（高于 40％）、无需贵金属催化剂、噪声低、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（可用于工业加工或锅炉循环）和电池构造材料价廉等诸多优点，是 21 世纪的绿色电站。但MCFC的缺点是在其工作温度下，电解质的腐蚀性高，阴极需要不断的供应CO 2 ［66，67］ 。
图 1.6 熔融碳酸盐燃料电池的工作原理示意图
（4）质子交换膜燃料电池（PEMFC）
质子交换膜燃料电池在 80～ 110℃范围内工作，以磺酸型固体聚合物质子交换膜为固体电解质，具有无泄漏、无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动等优点。以铂／碳或铂－钌／碳为电催化剂，氢气或净化重整气为燃料，空气或纯氧气为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。图 1.7 为质子交换膜燃料电池的工作原理示意图。质子交换膜型燃料电池中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应：
H 2 → 2 H ＋ ＋ 2 e －
该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，H ＋ 则经过质子交换电解质膜到达阴极。氧气与H ＋ 及电子在阴极发生反应生成水：
1 ／2 O 2 ＋ 2 H ＋ ＋ 2 e － → H 2 O
质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源 ［68］ 。PEMFC已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。在PEMFC中，膜的质子导电率、催化材料、气体扩散层是关键性技术问题。
图 1.7 质子交换膜燃料电池的工作原理示意图
（5）固体氧化物燃料电池（SOFC）
固体氧化物燃料电池具有全固态结构，采用固体氧化物作为电解质，除了高效、环境友好的特点外，不存在材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在较高的工作温度下（800～1100℃），电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50％提高到 70％以上；它的燃料适用范围广，不仅能使用H 2 ，还可直接使用CO、天然气（甲烷）、煤气化气、碳氢化合物、NH 3 、H 2 S等作燃料 ［47 －60，69］ 。固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，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，阴极为氧化剂发生还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。固体氧化物燃料电池的工作原理示意图见图 1.8。
图 1.8 固体氧化物燃料电池的工作原理示意图
与其他燃料电池比，SOFC发电系统简单，最适合于分散和集中发电，可在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，而且SOFC作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源与燃气轮机及其他设备也很容易进行高效热电联产。目前，SOFC的发展趋势是向中低温发展，当工作温度低于 800℃以下时，电池材料的选择范围更宽，应用前景更为广阔。
几种最主要的燃料电池的基本特征及区别见表 1.1。
表 1.1 不同燃料电池的技术性能参数
由于燃料电池模块化、功率范围广和燃料多样化等特点，使得燃料电池的用途非常广泛，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。早期燃料电池的发展焦点集中在军事空间等专业应用以及千瓦级以上分散式发电上 ［70］ 。实际上，燃料电池的商业化早已进行得如火如荼。目前，电动车领域成为燃料电池应用的主要方向，市场已有多种采用燃料电池发电的电动车出现。另外，通过小型化的技术将燃料电池运用于一般消费型电子产品（如笔记本电脑、无线电电话、录像机、照相机等）的电源也是应用发展方向之一。资料显示，从 2008 年至 2014 年，世界范围内燃料电池作为通信网络设备、物流和机场地勤的备用电源市场份额增长了 214％（见图 1.9，图 1.10）。预计至 2020 年，燃料电池的市场总值将达到 192 亿美元。
图 1.9 燃料电池的应用
燃料电池的具体应用介绍如下。
（1）便携式电源
便携式电源市场销售额的逐年增长吸引了许多电源技术，其产品包括笔记本电脑、手机、收音机及其他需要电源的移动设备。为方便个人携带，便携式移动电源的基本要求通常是其具有高比能量、质轻小巧等特点，而燃料电池的能量密度通常是可充电电池的 5 ～10 倍，使其具有较大的竞争力。此外，燃料电池不需要额外充电的特点也使它能适应更长久的野外生活。目前，已有直接甲醇燃料电池（DMFC）和PEMFC被应用为军用单兵电源和移动充电装置上。但由于在系统管理小型化等技术方面还有待突破，成本、稳定性和寿命将是燃料电池应用于便携式移动电源所需要解决的技术问题。
图 1.10 2008—2015 年燃料电池市场或货量统计 ［71］ （单位：千件）
（2）固定电源
固定电源包括紧急备用电源、不间断电寮、偏远地区独立电站等。目前，燃料电池每年占据全球约 70％的兆瓦级固定电源市场，相比于传统的铅酸电池，燃料电池具有更长的运行时间（大约为铅酸电池的 5 倍）、更高的比能量密度、更小的体积和更好的环境适应性。对于智能电网难以到达的偏远地区和紧急事故发生地，独立电站被认为是最经济且可靠的供电方式。在我国多次的地质灾害中，燃料电池被用作独立电站，为救灾工作发挥了重要作用。需要注意的是，固定电站通常需要较长的寿命（大于 80000h），这是燃料电池技术应用于固定电站的最大技术挑战。
（3）交通动力电源
交通动力电源一直是清洁能源技术研发的主要诱导因素，因为全球 17％的温室气体（CO 2 ）都是由传统燃油内燃机汽车所产生，另外还伴随着其他的大气污染问题，如雾霾等。以氢气为燃料的PEMFC被认为是内燃机的最佳替代动力，主要原因是：（1）尾气只有水，无任何污染排放；（2）燃料电池的工作效率极高（53％～59％），几乎是传统内燃机的两倍；（3）低温快速启动、运行噪声低且运行稳定。近年来，燃料电池汽车在性能、寿命与成本方面均取得一定的突破。在性能方面，美国公司的燃料电池发动机体积比功率已与传统的四缸内燃机相当，德国Daimler公司通过 3 辆B型Mercedes－Benz燃料电池轿车的环球旅行向世人展示了燃料电池汽车的可使用性，其续驶里程、最高时速、加速性能等已与传统汽油车相当。2015 年，日本丰田汽车公司开始售卖世界上第一辆以PEMFC为主要动力电源的汽车Mirai，标志着燃料电池技术应用于汽车动力的新纪元。日本计划在 2025 年之前，建设超过 1000 个加氢站和运行 200万辆燃料电池汽车。
在当今全球能源紧张、油价波动的时代，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。燃料电池效率高、排放少、无污染、燃料多样化的特点决定了它会具有广阔的应用前景。燃料电池既可以用作小型发电设备、作为长效电池，也可以应用在电动汽车上。发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果。例如，日本的热电联供系统，2011 年 10 月宣布，现在已经安装了上万套。美国分布式发电系统，硅谷很多著名的企业中心都配备有这种产品，做得比较有代表性。三菱重工持续做发电系统，2012 年日本东京建装的燃气电机的发电系统，其改进的系统可以在九州大学看到，东京附近正在安装第三套改进的系统，号称是整个性能无衰减，整个效率达到 90％。
我国早在 20 世纪 50 年代就开始了燃料电池方面的研究。2016 年 4 月发布的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030 年）》中，氢能和燃料电池被列为 15 个重点发展方向之一。2016 年 12 月，由中科院大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池研究团队研制的 20kW燃料电池系统作为动力源的国内首架燃料电池试验机在东北某机场成功首飞，标志着我国航空用燃料电池技术取得了突破性进展，成为继美、德之后第三个拥有该技术的国家。2016 年 12月 19 日，国务院印发了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，里面出台有两个文件：能源技术革命创新行动计划和中国制造 2025。能源技术革命创新行动计划中，第九项是燃料电池，燃料电池主要关注的目标是分布式发电，提出要系统推进燃料电池汽车研发与产业化，到 2020 年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。中国制造 2025 明确提出，能源装备中要做到百千万和兆瓦级固体氧化物燃料电池发电系统。这些都是很有挑战性的指标。2018 年 1 月，大连化学物理研究所醇类燃料电池及复合电能源研究中心的“甲醇燃料电池系列”项目通过验收。2018 年 1 月 20—21 日，中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆召开，该论坛的主题为“把握全球变革趋势，实现高品质发展”。氢能是多能源传输和融合交互的纽带，是未来清洁低碳能源系统的核心之一。氢能燃料电池技术正成为全球能源技术革命的重要方向和各国未来能源战略的重要组成部分。我国在“电电混合”动力技术路线具备一定特色，作为起步期推动燃料电池商业化突破，具有非常重要的意义。科技部和UNDP中国燃料电池联合示范项目进行到第三期，预计项目实施完成会有超过10 个城市进入示范项目，进一步推动中国燃料电池技术普及。随着燃料电池汽车产业的发展，甲醇燃料电池技术的突破，将进一步带动全国燃料电池产品多元化应用，加速未来社会能源和动力转型，所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。
尽管现在燃料电池的成本偏高、市场需求有限，但随着技术进步与规模经济效益，燃料电池的生产成本与使用成本将下降，竞争力提高，加上能源动力企业对燃料电池的发展信心十足，燃料电池行业将迎来新的发展机遇。