氫燃料電池汽車由于具有無污染、高效率、載重高、加氫快和續航長等優點，未來將全面替代內燃機汽車。甚至于世界各國都在積極發展氫能源并制定了相應的路線圖，例如加氫站建設。

今天，EDN就帶大家了解下，燃料電池是什么，以及目前都有哪些技術。

什么是燃料電池?

簡單地說，燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料(氫、天然氣或甲醇等)與氧化劑(例如空氣)中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。在此過程中，燃料并不發生燃燒，因此不受熱力學定律(卡諾循環效應)的限制，也就效率高。此外，由于沒有機械傳動部件，因此沒有噪聲污染，排放出的有害氣體極少。

從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。它利用我們周圍各種化合物中所富含的氫和氧來發電，所產生的廢物只不過是水。

燃料電池的分類、工作原理及其特點

堿性燃料電池是該技術發展最快的一種電池，主要為空間任務(包括航天飛機)提供動力和飲用水。  

堿性燃料電池的低溫性能好，溫度范圍寬，并且可以在較寬溫度范圍內選擇催化劑，但是堿性電解質易受CO2中和，因此必須要嚴格除去CO2，成本就偏高。

磷酸燃料電池

磷酸燃料電池的效率比其他燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質子交換膜燃料電池長。雖然磷酸燃料電池具有上述缺點，它也擁有許多優點，例如構造簡單、穩定、電解質揮發度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力。

它采用磷酸為電解質，利用廉價的炭材料為骨架。它除了以氫氣為燃料外，現在還有可能直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣等低廉燃料。與堿性氫氧燃料電池相比，最大的優點是它不需要CO2處理設備。磷酸型燃料電池已成為發展最快的，也是目前最成熟的燃料電池，它代表了燃料電池的主要發展方向。

熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構成的燃料電池。

電解質是熔融態碳酸鹽。反應原理示意圖如下：

熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫電池(600℃~700℃)，具有效率高(高于40%)、噪音低、無污染、燃料多樣化(氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等)、余熱利用價值高和電池構造材料價廉等諸多優點，是下一世紀的綠色電站。

固體氧化物燃料電池(SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、無污染地轉化成電能的全固態化學發電裝置。業界普遍認為這種燃料電池未來會與質子交換膜燃料電池一樣得到廣泛普及應用。

固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質組成，陽極為燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑。工作時相當于直流電源，陽極即電源負極，陰極為電源正極。

在固體氧化物燃料電池的陽極一側持續通入燃料氣，例如氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等，具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。在陰極一側持續通入氧氣或空氣，具有多孔結構的陰極表面會吸附氧，由于陰極本身的催化作用，會使O2得到電子變為O2-。在化學勢的作用下，O2-進入起電解質作用的固體氧離子導體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發生反應，失去的電子通過外電路回到陰極。

SOFC與第一代燃料電池(磷酸型燃料電池)、第二代燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池)相比有如下優點：電流密度和功率密度較高;可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑;避免了中、低溫燃料電池的酸堿電解質或熔鹽電解質的腐蝕及封接問題;能提供高質余熱，實現熱電聯產，燃料利用率高，能量利用率高達80%左右，是一種清潔高效的能源系統;廣泛采用陶瓷材料作電解質、陰極和陽極，具有全固態結構;陶瓷電解質要求中、高溫運行(600~1000℃)，加快了電池的反應速度，還可實現多種碳氫燃料氣體的內部還原，簡化了設備。

固體氧化物燃料電池具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、全固態、模塊化組裝、零污染等優點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質氣等多種碳氫燃料。在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯供等民用領域作為固定電站，以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源，都有廣闊的應用前景。

質子交換膜燃料電池

質子交換膜燃料電池(PEMFC)在原理上也相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當于直流電源，陽極即電源負極，陰極為電源正極。

表：各種燃料電池對比。(來源：DOE，國金證券研究所)