燃料電池（英文名：Fuel Cell，F(xiàn)C）是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，同時放出熱量和生成水等產(chǎn)物，僅完成能量轉(zhuǎn)換，而無能量儲存功能。燃料電池單電池的基本結(jié)構(gòu)為電解質(zhì)隔膜、電極和集電器；陽極是燃料電池的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)場所；陰極是燃料電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)的場所；電解質(zhì)隔膜起隔離燃料和氧化劑以及傳導(dǎo)離子的作用；集電器用于收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等作用。
燃料電池按使用的電解質(zhì)分類可分為：堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸根燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池。按照工作溫度分類可分為，低溫型燃料電池（堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池）、中溫燃料電池（磷酸型燃料電池）和高溫燃料電池（熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池）。
燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，可長時間持續(xù)運行，運行安全可靠，燃料來源豐富，綠色無污染，安全可靠，應(yīng)用前景非常廣闊，包括民用、商業(yè)和工業(yè)等固定領(lǐng)域發(fā)電，電子數(shù)碼產(chǎn)品等便攜領(lǐng)域的電源、交通運輸領(lǐng)域動力裝置。但是，燃料電池制造成本、運行和使用價格昂貴以及耐久性和壽命低，因而難以商業(yè)推廣。此外，燃料電池采用氫氣、天然氣等可燃?xì)怏w作為燃料，存在泄露、可燃和爆炸等特殊安全隱患。
發(fā)展歷史
1838年，德國化學(xué)家克里斯提安·弗里德里希·尚班（Christian Friedrich Schonbein）首次提出了燃料電池的原理，即利用氫氣與氧氣的氧化還原反應(yīng)發(fā)電。1839年2月，英國物理學(xué)家威廉·格羅夫（William Robert Grove）根據(jù)尚班的理論設(shè)計了出了如今的磷酸燃料電池，并發(fā)表在《哲學(xué)與科學(xué)雜志》（Philosophical Magazine and Journal of Science）期刊上。
1889年，英國化學(xué)家蒙德（L.Mond）用氫氣作為燃料，氧氣作為氧化劑，鉑黑作為電極，多孔材料作為隔膜，成功制造出了氫氧燃料電池，并將其正式命名為“燃料電池”。
1932 年，英國科學(xué)家培根（F.Bacon）以氫氣和氧氣，以及堿性電解質(zhì)（27%~37%的氫氧化鉀）和金屬多孔電極，成功制成了第一個堿性燃料電池并獲得了專利。20世紀(jì)60 年代，Bacon發(fā)明的電池經(jīng)過改進(jìn)后，成功用于美國航空航天局的阿波羅 (Apollo) 宇宙飛船。從此，燃料電池從實驗階段走向試用階段，具有里程碑式的重要意義。
1955年，英國化學(xué)研究員托馬斯·格拉布（W.Thomas Grubb）對原始的燃料電池進(jìn)行改進(jìn)，采用硫化聚苯乙烯離子交換膜。1958年，英國另一位化學(xué)研究員倫納德·尼德拉赫（Leonard Niedrach）將鉑沉積在交換膜上，催化氫氣和氧氣的反應(yīng)，并將該電池命名為“Grubb-Niedrach燃料電池”。同年，中國的燃料電池也開始起步，原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開展了熔融碳酸鹽燃料電池的研究。
1959年，艾利斯·查默斯（Allis·Chalmers）在密爾沃基（Milwaukee）將以丙為燃料的堿性燃料電池驅(qū)動拖拉機(jī)，總共1008個電池單元輸出了15kW的電功率，這是第一款采用燃料電池的車輛。
1984年，德國化學(xué)家威廉·奧斯特瓦爾德（Ostwald）從理論上計算得出燃料電池的發(fā)電效率最高可以達(dá)到50%-80%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于受卡諾循環(huán)限制的熱機(jī)效率（50%）。
20世紀(jì)90年代初，德國科學(xué)家羅杰·比林斯（Roger Billings）首次發(fā)明出了可以應(yīng)用于汽車的氫燃料電池，隨后在1994年奔馳生產(chǎn)處理第一代應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池的燃料電池汽車NECAR1，自此燃料電池正式進(jìn)入車企以及社會大眾的視野，得到了科研界和工業(yè)界的更加廣泛的關(guān)注，迎來了新一輪的發(fā)展蓬勃期。
1991年，中國電力工業(yè)部哈爾濱市電站成套設(shè)備研究所研制出由7個單電池組成的熔融碳酸根燃料電池。同時，在國家科技部與中科院將燃料電池技術(shù)列入"九五"科技攻關(guān)計劃的推動等，中國燃料電池的研究進(jìn)入新的發(fā)展階段。
組成結(jié)構(gòu)
燃料電池單電池的基本結(jié)構(gòu)為電解質(zhì)隔膜、電極和集電器。陽極為電池的負(fù)極，在燃料電池工作時，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去的電子由外電路傳輸?shù)疥帢O；陰極為電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子而產(chǎn)生可供傳導(dǎo)的離子；電解質(zhì)隔膜起隔離燃料和氧化劑以及傳導(dǎo)離子的作用。
電極
燃料電池電極，是指燃料電池內(nèi)的固體金屬或電極，分為陽極和陰極。陽極是燃料電池的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)場所；陰極燃料電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)的場所。電極的厚度一般為200~500mm，是以催化劑材料制成的多孔結(jié)構(gòu)。設(shè)計成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（氧氣、氫氣等）而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高。電極性能的好壞關(guān)鍵在于催化劑的性能、電極的材料與電極的制程等。
電解質(zhì)隔膜
燃料電池的電解質(zhì)隔膜是指一種含有離子并允許離子電荷流動的物質(zhì)，主要用于分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子。電解質(zhì)隔膜厚度通常為數(shù)十毫米至數(shù)百毫米，一種是以石棉膜、碳化硅（SiC） 膜、鋁酸鋰（LiAlO3） 膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰-鉀碳酸根、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內(nèi)；另一種是采用全氟磺酸樹脂及氧化釔穩(wěn)定二氧化鋯。
集電器
集電器又稱雙極板，用于收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等作用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設(shè)計及加工技術(shù)。
工作原理
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，同時放出熱量和生成水等產(chǎn)物，僅完成能量轉(zhuǎn)換，而無能量儲存功能。
燃料電池工作時，燃料輸送到燃料電池達(dá)的陽極，在陽極催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)生成質(zhì)子，同時釋放出兩個自由電子，見電化學(xué)反應(yīng)方程式（1）。質(zhì)子通過電解質(zhì)從陽極傳遞到陰極，自由電子則通過外電路從陽極傳輸?shù)疥帢O。在燃料電池陰極，氧氣在催化劑的作用下，與從電解質(zhì)傳遞過來的質(zhì)子和從外電路傳遞過來的電子結(jié)合生成水，見電化學(xué)反應(yīng)方程式（2），電池反應(yīng)見電化學(xué)反應(yīng)方程式（3）。
陽極反應(yīng)： （1）
陰極反應(yīng)：（2）
總反應(yīng)： （3）
分類
電解質(zhì)分類
燃料電池按使用的電解質(zhì)不同主要分為：堿性燃料電池（Alkaline Auel Cell，AFC）、磷酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸根燃料電池（Molten 碳酸根 Fuel Cell，MCFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOLID 氧化物 Fuel Cell，SOFC），共5種。
堿性燃料電池
堿性燃料電池，通常以氫氣作為燃料氣體，以貴金屬鉑、金、銀以及過渡鎳、鈷、錳等為催化劑，以氫氧化鉀或氫氧化鈉作為電解液，導(dǎo)電離子為OH-。這種電解液效率在60%~90%，但對CO2等雜質(zhì)非常敏感，易生成雜質(zhì)，嚴(yán)重影響電池的性能。因此，需使用純態(tài)的H2和02，其應(yīng)用被限制在航天及國際工程等領(lǐng)域之內(nèi)。
磷酸型燃料電池
磷酸燃料電池是第一代燃料電池，通常以氫氣、二氧化碳為燃料，電極為多孔石墨，表面涂貴金屬鉑作為催化劑，以濃磷酸作為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中，導(dǎo)電離子為H+。盡管磷酸燃料電池技術(shù)上成熟度很高，但是它使用酸性的電解質(zhì)，使用壽命受到限制，功率密度也較低，同時對電池組件材料要求很高、材料成本高且沒有降低的潛力。
熔融碳酸鹽燃料電池
熔融碳酸鹽燃料電池屬于第二代燃料電池，因其電解質(zhì)是一種存在于偏鋁酸鋰（LiAlO2）陶瓷基膜里的熔融堿金屬碳酸鹽混合物而得名。熔融碳酸鹽燃料電池主要由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極和金屬極板構(gòu)成，以煤氣、天然氣、甲醇等為燃料，以熔融態(tài)碳酸鹽為電解質(zhì)，正負(fù)極分別添加鋰的氧化鎳和多孔鎳為催化劑，主要應(yīng)用場景包括家居、商業(yè)和工業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)。
質(zhì)子交換膜燃料電池
質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件為質(zhì)子交換膜，是一種厚度僅為數(shù)十微米的選擇透過性薄膜片，其微觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，僅為質(zhì)子（H+）傳遞提供通道，同時作為隔膜將陽極的燃料與陰極的氧化劑隔開，其性能好壞直接影響電池的性能和壽命。該類型電池以純氫為燃料，以貴金屬鉑為催化劑，導(dǎo)電離子為H+，主要在筆記本電腦、數(shù)碼產(chǎn)品等便攜設(shè)備和車輛驅(qū)動動力領(lǐng)域應(yīng)用。
固體氧化物燃料電池
固體氧化物燃料電池屬于第三代燃料電池，通常以煤氣、天然氣、甲醇、碳?xì)浠衔锏葹槿剂希?a href="/hebeideji/1118346534713744670.html">氧化釔穩(wěn)定二氧化鋯為電解質(zhì)，以貴金屬鉑、鎳、鈷等為催化劑，導(dǎo)電離子O2-。固體氧化物燃料電池的應(yīng)用主要包括包括家居、商業(yè)和工業(yè)熱電聯(lián)供、分布式發(fā)電、交通運輸領(lǐng)域的輔助電源裝置。
工作溫度分類
燃料電池按照工作溫度不同可以分為，低溫型燃料電池，其工作溫度不超過100℃，包括堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池、中溫燃料電池，其工作溫度在100～300℃，主要有磷酸型燃料電池、以及高溫燃料電池，其工作溫度超過600~1000℃，包括熔融碳酸根燃料電池和固體氧化物燃料電池。
特點
優(yōu)點
在燃料電池中，反應(yīng)物可以連續(xù)供給，反應(yīng)產(chǎn)物可以不斷排出。因此，燃料電池可以在相當(dāng)長的時間內(nèi)連續(xù)運行，不需要更換部件或為電池充電。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，通過燃料電池能實現(xiàn)對能源更為有效的利用。燃料電池還具有潔凈、無污染、噪聲低、比功率高等優(yōu)點，既可以集中供電，也適合分散供電。
能量轉(zhuǎn)換效率高：燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置，按電化學(xué)方式等溫地將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)的控制，理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到83%。雖然受各種極化的限制，但是實際電能轉(zhuǎn)化效率均在40~60%之間，若考慮余熱利用，效率可達(dá) 80%以上。除了核能發(fā)電外，燃料電池的單位質(zhì)量燃料所能產(chǎn)生的電能均優(yōu)于其他發(fā)電技術(shù)。
環(huán)境友好：由于燃料電池發(fā)電過程不需要燃燒，具有高的能量轉(zhuǎn)換效率，如使用的燃料是純氫氣，生成的只有水，幾乎不排放硫氧化物、氮氧化物及二氧化碳等，減少大氣污染。由于燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，不使用其他發(fā)電技術(shù)中常用的大型渦輪機(jī)，運動部件少，因此它工作時噪聲小，很安靜。
安全可靠：燃料電池?zé)o論是在低于額定功率的情況下運行，還是在額定功率以上過載運行，都穩(wěn)定可靠。此外，燃料電池與燃燒渦輪機(jī)循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)燃機(jī)相比，運動部件很少，結(jié)構(gòu)件大多為板狀和管件，構(gòu)造比較簡單，大大減小了運行時產(chǎn)生的機(jī)械振動，運行平穩(wěn)，因而系統(tǒng)更加安全可靠。
燃料資源豐富：氫氣、天然氣，石油、煤炭的氣化產(chǎn)物，醇，醛，烷烴等都可用作燃料電池的燃料，在地球的儲備豐富，可以減少對化石能源的依賴。
長時間持續(xù)運行：燃料電池可以在相當(dāng)長的時間內(nèi)連續(xù)運行，且不需要更換部件或為電池充電，可以克服純電動汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點，長途行駛能力及動力性接近傳統(tǒng)汽車。
用途廣泛：燃料電池輸出功率范圍很寬，在10~1000MW之間。因此，可使用的領(lǐng)域也很多，可為日常生活使用的便攜式裝置提供連續(xù)電能，也可作為電動車輛的動力電源、分散型發(fā)電站和大型集中型發(fā)電廠等。
缺點
成本高：燃料電池的電解質(zhì)隔膜和稀有金屬催化劑價格昂貴，據(jù)美國能源部測算燃料電池的生產(chǎn)成本為500美元/kW，其成本高于發(fā)電機(jī)，因而難以推廣。此外，由于氫氣售價不菲，燃料電池的運行使用成本也過高，遠(yuǎn)高于各種動力蓄電池。
制氫、儲氫難：氫氣是燃料電池的主要燃料，傳統(tǒng)的制備方法獲取純氫需要消耗大量能量，不能從根本上解決對化石能源的依賴，還會造成污染。此外，氫氣的儲存和運輸困難，面臨急需解決的儲運技術(shù)問題和泄漏等安全性問題。
耐久性及壽命低：燃料電池耐久性，是指在一定時間內(nèi)燃料電池阻止性能長期退化的能力，耐久性的衰退不會導(dǎo)致突然失效，但是會導(dǎo)致其性能不可逆轉(zhuǎn)的損失，與燃料電池的壽命息息相關(guān)。燃料電池產(chǎn)品的耐久性可以達(dá)到 5000~8000小時，在性能衰減 10% 后便不能再用，需進(jìn)行更換。
應(yīng)用領(lǐng)域
固定領(lǐng)域
固定式燃料電池通常使用高溫型燃料電池，如熔體碳酸根燃料電池和固體氧化物燃料電池，它們具有效率高、持久性好、覆蓋功率范圍廣和環(huán)境適應(yīng)度強等優(yōu)點，通常可以與廢熱（熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)）結(jié)合使用來發(fā)電，通過相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略和存儲策略，可用于平衡夏季或冬季運行期間的電力和熱能的需求。例如，燃料電池應(yīng)用于居民住宅熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，純電效率可以達(dá)到45%，而熱電聯(lián)產(chǎn)利用率可以高達(dá)95%。因此，固定式燃料電池被廣泛應(yīng)用于大型供電和發(fā)熱聯(lián)產(chǎn)、居民住宅熱電聯(lián)產(chǎn)、固定電源和偏遠(yuǎn)地區(qū)或者太空的發(fā)電動力裝置。
便攜領(lǐng)域
在便攜領(lǐng)域應(yīng)用的燃料電池電池通常是直接甲醇燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池，它們具有體積小、重量輕、效率高、壽命長、運行溫度低、紅外信號低、隱身性能好、運行可靠、噪聲小及污染少等優(yōu)點，可用作便攜式計算機(jī)、照相機(jī)、智能手機(jī)和實驗室設(shè)備等小型設(shè)備的電源供給裝置。此外，燃料電池電容大，能夠極大地減輕電池攜帶負(fù)擔(dān)，有顯著的后勤優(yōu)勢，雖然與鋰電池相比價格和性能優(yōu)勢并不明顯，但軍事領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景，可用于便攜士兵電源、撬裝式燃料電池發(fā)電機(jī)等軍用設(shè)備。
運輸領(lǐng)域
車用燃料電池作為動力系統(tǒng)具有續(xù)駛里程長、加氫時間短和無污染等優(yōu)勢，全球汽車制造商、高速列車制造商和航空公司都在積極布局和發(fā)展燃料電池技術(shù)，并且已經(jīng)發(fā)布了燃料電池汽車、燃料電池列車和燃料電池無人機(jī)等產(chǎn)品。
車用燃料電池以質(zhì)子交換膜燃料電池作為主要的應(yīng)用類型，該類型燃料電池可以在約80℃的運行溫度下工作，唯一的廢氣是含純凈水的濕空氣。與純蓄電池汽車相比，燃料電池汽車具有更舒適、更長的續(xù)駛里程、更短的加注時間以及在低溫環(huán)境下功率和續(xù)駛里程也幾乎保持不變等優(yōu)點。然而，燃料電池汽車購置成本高，尚不具有競爭力，僅有小批量的乘用車、公共汽車、商用車、軌道車輛和特種車輛（叉車、輸送車）得到應(yīng)用。
在水上用移動式燃料電池領(lǐng)域主要應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池作為驅(qū)動裝置，已成功在潛水艇、賽艇、摩托艇和客船應(yīng)用。燃料電池驅(qū)動雖然有綠色、無污染和低噪聲等優(yōu)勢，但是成本高昂仍然無法大規(guī)模應(yīng)用。
在航空領(lǐng)域，氫燃料電池驅(qū)動的無人機(jī)具有高能量密度、有效載荷高和航程長等優(yōu)勢。與小型內(nèi)燃機(jī)相比，可靠性更高，增強了安全性和低維護(hù)操作，同時具有與電池系統(tǒng)驅(qū)動無人機(jī)相同的低燒和低噪聲優(yōu)點，能夠在極端天氣條件下高效運行執(zhí)行情報收集、邊境巡邏、空中火力支援、激光指定和戰(zhàn)斗管理服務(wù)等功能。
安全事宜
燃料電池采用氫氣、煤氣、天然氣、甲醇、碳?xì)浠衔锏瓤扇細(xì)怏w作為燃料，它們具有可燃性和可爆炸性。以氫氣為例會存在氣體泄漏、脆化、擴(kuò)散、可燃性和爆炸性等特殊的安全性問題。燃料電池的安全性問題出現(xiàn)的原因主要有設(shè)備災(zāi)難性的破裂、氣體的大量泄漏或緩慢泄漏，在密閉的車庫內(nèi)氣體發(fā)生緩慢泄漏，逐漸累積導(dǎo)致著火或爆炸。
參考資料 >
GB/T 24548-2009——燃料電池電動汽車 術(shù)語.國家標(biāo)準(zhǔn)全文公開系統(tǒng).2023-03-04
燃料電池?zé)o人機(jī)市場規(guī)模和份額分析-增長趨勢和預(yù)測（2023-2028）.Mordor lntelligence.2023-11-20