燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
基本介绍
燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。燃料电池理论上可在接近100%的热效率下运行，具有很高的经济性。目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置系统的耗能，总的转换效率多在45%～60%范围内，如考虑排热利用可达80%以上。此外，燃料电池装置不含或含有很少的运动部件，工作可靠，较少需要维修，且比传统发电机组安静。另外等温的按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且反应清洁、完全，很少产生有害物质，正在成为理想的能源利用方式。同时，随着燃料电池技术不断成熟，以及西气东输工程提供了充足天然气源，所有这一切都使得燃料电池被视作是一种很有发展前途的能源动力装置，燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景。
原理
燃料电池是一种能量转化装置，其组成与一般电池相同，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。
优点
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，不同于一般电池的活性物质贮存在电池内部，不会限制电池容量，其正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应，原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。
发电效率高
燃料电池发电不受卡诺循环的限制。理论上,它的发电效率可达到85% ～90%，但由于工作时各种极化的限制，目前燃料电池的能量转化效率约为40%～ 60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。
环境污染小
燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时，二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。另外，由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱硫，而且按电化学原理发电，没有高温燃烧过程，因此几乎不排放氮和硫的氧化物，减轻了对大气的污染。
比能量高
液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍，直接甲醇燃料电池的比能量比锂离子电池(能量密度最高的充电电池)高10倍以上。目前，燃料电池的实际比能量尽管只有理论值的10%，但仍比一般电池的实际比能量高很多。
辐射少
燃料电池结构简单，辐射少，损耗少。即使在11MW级的燃料电池发电厂附近，所测得的辐射也很少。
燃料范围广
对于燃料电池而言，只要含有氢原子的物质都可以作为燃料，例如天然气、石油、煤炭等化石产物，或是沼气、酒精、甲醇等，因此燃料电池非常符合能源多样化的需求，可减缓主流能源的耗竭。
可靠性高
当燃料电池的负载有变动时,它会很快响应。无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。由于燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。
易于建设
燃料电池具有组装式结构，安装维修方便，不需要很多辅助设施。燃料电池电站的设计和制造相当方便。
应用
碱性燃料电池(AFC)是最早开发的燃料电池技术，在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。
磷酸型燃料电池(PAFC)也是第一代燃料电池技术，是目前最为成熟的应用技术,已经进入了商业化应用和批量生产，由于其成本太高,目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。
熔融碳酸型燃料电池(MCFC)是第二代燃料电池技术,主要应用于设备发电。
固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点，发展最快，应用广泛，成为第三代燃料电池。
作为21世纪的高科技产品，燃料电池已应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业,受到各国政府的重视。
几种燃料电池
SOFC
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将燃料气和氧化气中的化学能转换成电能的全固态能量转换装置，具有一般燃料电池的结构。固体氧化物燃料电池以致密的固体氧化物作电解质，在高温800～1000 ℃下操作，反应气体不直接接触，因此可以使用较高的压力以缩小反应器的体积而没有燃烧或爆炸的危险。
RFC
氢燃料电池以氢气为燃料，与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。氢和氧反应生成水，不排放碳化氢、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物，无污染，发电效益高。目前，氢燃料电池的发电热效率可达65%～ 85%，重量能量密度500～700 Wh/kg，体积能量密度1000～1200 Wh/L，发电效率高于固体氧化物燃料电池。氢燃料电池在30～90 ℃下运行，启动时间很短，0～20 s内即可达到满负荷工作，寿命可以达到10年，无震动，无废气排放，大批量生产成本可降到100～200美元/kW。将氢燃料电池用于电动车，与燃油汽车比较，除成本外，各方面性能均优于现有的汽车。只要进一步降低成本，预计不久就会有实用的电动车问世。
氢燃料电池还未完全实现大规模工业化应用的原因主要有两方面。首先，如何制造氢气。制氢的方式是多种多样的，既可通过化学方法对化合物进行重整、分解、光解或水解等方式获得，也可通过电解水制氢，或是利用产氢微生物进行发酵或光合作用来制得氢气。其中，电解水制氢是一种完全清洁的制氢方式，但这种方法能耗量较大，在现场制氢方面的应用受到了一些限制，目前还在进一步研究和开发。生物制氢法采用有机废物为原料，通过光合作用或细菌发酵进行产氢。但目前对这种方法的产氢机理了解得尚不深入，在菌种培育、细菌代谢路径、细菌产氢条件等方面的许多问题还有待研究，总的说来还不成熟。目前主要的大规模产氢方式是以煤、石油、天然气为原料加热制氢，需要800℃，这种高温，转化炉等设备需要特殊材料，且不适合小规模制氢。近来发展了甲醇蒸汽转化制氢，这种制氢方式反应温度低（260～280℃），工艺条件缓和，能耗约为前者的50%，因此甲醇转化氢气已经成为该领域的研究热点。另外，金属氢化物储氢、吸附储氢技术的研究也对车载储氢和制氢提供了途径。
DMFC
直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通常称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。膜电极主要由甲醇阳极、氧气阴极和质子交换膜(PEM)构成。阳极和阴极分别由不锈钢板、塑料薄膜、铜质电流收集板、石墨、气体扩散层和多孔结构的催化层组成。其中，气体扩散层起支撑催化层、收集电流及传导反应物的作用，由具有导电功能的碳纸或碳布组成；催化层是电化学反应的场所，常用的阳极和阴极电极催化剂分别为PtRu/C和Pt/C。
直接甲醇燃料电池无须中间转化装置，因而系统结构简单，体积能量密度高，还具有起动时间短、负载响应特性佳、运行可靠性高，在较大的温度范围内都能正常工作，燃料补充方便等优点。应用领域非常广泛，主要分为：（1）野外作业或军事领域的便携式移动电源；（2）50～ 1 000kW的固定式发电设备；（3）未来电动汽车动力源；（4）移动通讯设备电源。
近年来，微型DMFC及军用燃料电池已接近实用，但阳极催化剂活性差，阳极催化剂层中缺乏合理的甲醇和二氧化碳分流通道以及阻止甲醇从阳极向阴极穿透等方面还存在很多技术难题。针对这些问题，也提出了一些解决的途径。在催化剂活性方面，利用贵金属二元、三元合金催化剂来提高抗CO中毒的能力或寻找非贵金属催化剂以提高催化剂的活性。对于部分CH3OH穿过PEM直接与O2反应不产生电流的问题，可通过降低CH3OH在PEM中的扩散系数、改进或研制新型PEM的方法减少甲醇扩散，提高电池效率。随着DMFC的燃料转换效率、功率密度、可靠性的提高和成本的降低，DMFC将会成为未来理想的燃料电池。
