下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
燃料电池的分类方式有很多，常用的方式是按照燃料电池电解质性质和工作温度进行分类。
因为电解质可以分为酸性、碱性、熔融盐类或固体类，所以燃料电池可以分为五类：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。
按工作温度范围的不同，一般把碱性燃料电池（AFC，100℃）和质子交换膜燃料电池（PEMFC，100℃以内）归为低温燃料电池，将磷酸燃料电池（PAFC，200℃）归为中温燃料电池，把熔融碳酸盐燃料电池（MCFC，650℃）和固体氧化燃料电池（SOFC，1000℃）称为高温燃料电池，各类燃料电池特征见表1-1。
表1-1 各类燃料电池的特征
目前，PEMFC按照燃料的种类和来源分类，可以分为四类：氢氧质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接乙醇燃料电池、直接甲酸燃料电池 [23] ，而后三者又可以统称为碳质化合物质子交换膜燃料电池，现分别阐述。
H 2 /O 2 型PEMFC是目前研究最为充分，也是技术最为成熟的质子交换膜燃料电池，习惯上，PEMFC也专指H 2 /O 2 型燃料电池。H 2 /O 2 型PEMFC具有较高的功率密度（可达2.0W/cm 2[24] ），远远超过了其他类型的燃料电池。虽然各种H 2 /O 2 型PEMFC汽车和固定发电站早已试运行，但目前该类电池仍存在一些缺点，使其尚不能进入规模化的商业应用。这些缺点主要有：①所用的质子交换膜、催化剂价格昂贵；②电池性能的稳定性不理想；③水热管理系统复杂；④H 2 的储存效率低下。
由于成本的限制，H 2 /O 2 型PEMFC只在特殊的应用领域具有竞争力。要想取代目前普遍应用的内燃机，H 2 /O 2 型PEMFC除了要进一步提高功率密度外，还需要具有与内燃机相当甚至更低的成本。虽然H 2 /O 2 型PEMFC以H 2 为燃料时性能最佳，但H 2 需要消耗其他的能量来制取，且H 2 的体积能量密度小，储存效率很低。一般认为，PEMFC能运行5000h以上且电池性能没有明显的下降时才能在实际中使用，但现在的电池材料难以满足上述的要求。此外，以加氢站取代加油站，也需要大量的前期资本投入。因此在H 2 /O 2 型PEMFC的大规模商业化应用之前，还有一系列的问题亟待解决。
除了以H 2 为燃料外，质子交换膜燃料电池还可以以碳质化合物如甲醇、甲酸、甲醚、乙醇等为燃料直接液体进料。在各种碳质化合物燃料中，甲醇因具有较高的电化学活性而成为研究的热点，该类电池被称为直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）。
直接甲醇燃料电池的研究基本与H 2 /O 2 型PEMFC同时起步，但其早期采用的是酸性或碱性液体电解质，电池性能很差 [25] 。20世纪90年代初，受H 2 /O 2 型PEMFC的启发，直接甲醇燃料电池开始采用固态的全氟磺酸膜作为电解质，形成了现在的DMFC，电池性能得到了极大的提高。DMFC与H 2 /O 2 型PEMFC的电池结构基本一样，差别主要在于DMFC的阳极采用的不是Pt/C催化剂，而是对甲醇催化活性较高的Pt-Ru/C。电池工作时，甲醇水溶液从流道穿过扩散层进入电池的阳极催化层，在Pt-Ru/C的催化作用下分解为CO 2 、电子和H + 。CO 2 经扩散层反向扩散至流道排出，H + 经过质子交换膜到达阴极催化层，与阴极的O 2 和从外电路传导至阴极的电子发生反应产生水。DMFC的电极半反应和电池总反应为：
阳极：
阴极：
总反应：
与H 2 /O 2 型PEMFC相比，DMFC的显著优点在于使用的燃料为廉价易得、储运方便的液体甲醇，且水热管理简单，辅助配件少。DMFC体积小、质量轻，因此非常适合当作便携式电源用于手机、笔记本等。目前DMFC面临着两大技术难题：①阳极催化剂对甲醇的催化活性低，电池的功率密度偏小；②电池运行时，甲醇容易随水透过膜扩散至阴极，毒化阴极催化剂并与O 2 直接发生反应形成混合电路。