燃料电池（英文名：Fuel Cell，FC）是一种能量转化装置，通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能，同时放出热量和生成水等产物，仅完成能量转换，而无能量储存功能。燃料电池单电池的基本结构为电解质隔膜、电极和集电器；阳极是燃料电池的负极，发生氧化反应场所；阴极是燃料电池的正极，发生还原反应的场所；电解质隔膜起隔离燃料和氧化剂以及传导离子的作用；集电器用于收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等作用。

燃料电池按使用的电解质分类可分为：碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸根燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。按照工作温度分类可分为，低温型燃料电池（碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池）、中温燃料电池（磷酸型燃料电池）和高温燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池）。

燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，可长时间持续运行，运行安全可靠，燃料来源丰富，绿色无污染，安全可靠，应用前景非常广阔，包括民用、商业和工业等固定领域发电，电子数码产品等便携领域的电源、交通运输领域动力装置。但是，燃料电池制造成本、运行和使用价格昂贵以及耐久性和寿命低，因而难以商业推广。此外，燃料电池采用氢气、天然气等可燃气体作为燃料，存在泄露、可燃和爆炸等特殊安全隐患。

1838年，德国化学家克里斯提安·弗里德里希·尚班（Christian Friedrich Schonbein）首次提出了燃料电池的原理，即利用氢气与氧气的氧化还原反应发电。1839年2月，英国物理学家威廉·格罗夫（William Robert Grove）根据尚班的理论设计了出了如今的磷酸燃料电池，并发表在《哲学与科学杂志》（Philosophical Magazine and Journal of Science）期刊上。

1889年，英国化学家蒙德（L.Mond）用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂，铂黑作为电极，多孔材料作为隔膜，成功制造出了氢氧燃料电池，并将其正式命名为“燃料电池”。

1932 年，英国科学家培根（F.Bacon）以氢气和氧气，以及碱性电解质（27%~37%的氢氧化钾）和金属多孔电极，成功制成了第一个碱性燃料电池并获得了专利。20世纪60 年代，Bacon发明的电池经过改进后，成功用于美国航空航天局的阿波罗 (Apollo) 宇宙飞船。从此，燃料电池从实验阶段走向试用阶段，具有里程碑式的重要意义。

1955年，英国化学研究员托马斯·格拉布（W.Thomas Grubb）对原始的燃料电池进行改进，采用硫化聚苯乙烯离子交换膜。1958年，英国另一位化学研究员伦纳德·尼德拉赫（Leonard Niedrach）将铂沉积在交换膜上，催化氢气和氧气的反应，并将该电池命名为“Grubb-Niedrach燃料电池”。同年，中国的燃料电池也开始起步，原电子工业部天津电源研究所最早开展了熔融碳酸盐燃料电池的研究。

1959年，艾利斯·查默斯（Allis·Chalmers）在密尔沃基（Milwaukee）将以丙为燃料的碱性燃料电池驱动拖拉机，总共1008个电池单元输出了15kW的电功率，这是第一款采用燃料电池的车辆。

1984年，德国化学家威廉·奥斯特瓦尔德（Ostwald）从理论上计算得出燃料电池的发电效率最高可以达到50%-80%，远远大于受卡诺循环限制的热机效率（50%）。

20世纪90年代初，德国科学家罗杰·比林斯（Roger Billings）首次发明出了可以应用于汽车的氢燃料电池，随后在1994年奔驰生产处理第一代应用质子交换膜燃料电池的燃料电池汽车NECAR1，自此燃料电池正式进入车企以及社会大众的视野，得到了科研界和工业界的更加广泛的关注，迎来了新一轮的发展蓬勃期。

1991年，中国电力工业部哈尔滨市电站成套设备研究所研制出由7个单电池组成的熔融碳酸根燃料电池。同时，在国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动等，中国燃料电池的研究进入新的发展阶段。

燃料电池单电池的基本结构为电解质隔膜、电极和集电器。阳极为电池的负极，在燃料电池工作时，阳极发生氧化反应，失去的电子由外电路传输到阴极；阴极为电池的正极，发生还原反应，得到电子而产生可供传导的离子；电解质隔膜起隔离燃料和氧化剂以及传导离子的作用。

燃料电池电极，是指燃料电池内的固体金属或电极，分为阳极和阴极。阳极是燃料电池的负极，发生氧化反应场所；阴极燃料电池的正极，发生还原反应的场所。电极的厚度一般为200~500mm，是以催化剂材料制成的多孔结构。设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（氧气、氢气等）而气体在电解质中的溶解度并不高。电极性能的好坏关键在于催化剂的性能、电极的材料与电极的制程等。

燃料电池的电解质隔膜是指一种含有离子并允许离子电荷流动的物质，主要用于分隔氧化剂与还原剂，并传导离子。电解质隔膜厚度通常为数十毫米至数百毫米，一种是以石棉膜、碳化硅（SiC） 膜、铝酸锂（LiAlO3） 膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂-钾碳酸根、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内；另一种是采用全氟磺酸树脂及氧化钇稳定二氧化锆。

集电器又称双极板，用于收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等作用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及加工技术。

燃料电池是一种能量转化装置，通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能，同时放出热量和生成水等产物，仅完成能量转换，而无能量储存功能。

燃料电池工作时，燃料输送到燃料电池达的阳极，在阳极催化剂的作用下发生电化学氧化反应生成质子，同时释放出两个自由电子，见电化学反应方程式（1）。质子通过电解质从阳极传递到阴极，自由电子则通过外电路从阳极传输到阴极。在燃料电池阴极，氧气在催化剂的作用下，与从电解质传递过来的质子和从外电路传递过来的电子结合生成水，见电化学反应方程式（2），电池反应见电化学反应方程式（3）。

阳极反应： （1）

阴极反应：（2）

总反应： （3）

燃料电池按使用的电解质不同主要分为：碱性燃料电池（Alkaline Auel Cell，AFC）、磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸根燃料电池（Molten 碳酸根 Fuel Cell，MCFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOLID 氧化物 Fuel Cell，SOFC），共5种。

碱性燃料电池，通常以氢气作为燃料气体，以贵金属铂、金、银以及过渡镍、钴、锰等为催化剂，以氢氧化钾或氢氧化钠作为电解液，导电离子为OH-。这种电解液效率在60%~90%，但对CO2等杂质非常敏感，易生成杂质，严重影响电池的性能。因此，需使用纯态的H2和02，其应用被限制在航天及国际工程等领域之内。

磷酸燃料电池是第一代燃料电池，通常以氢气、二氧化碳为燃料，电极为多孔石墨，表面涂贵金属铂作为催化剂，以浓磷酸作为电解质，通常位于碳化硅基质中，导电离子为H+。尽管磷酸燃料电池技术上成熟度很高，但是它使用酸性的电解质，使用寿命受到限制，功率密度也较低，同时对电池组件材料要求很高、材料成本高且没有降低的潜力。

熔融碳酸盐燃料电池属于第二代燃料电池，因其电解质是一种存在于偏铝酸锂（LiAlO2）陶瓷基膜里的熔融碱金属碳酸盐混合物而得名。熔融碳酸盐燃料电池主要由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极和金属极板构成，以煤气、天然气、甲醇等为燃料，以熔融态碳酸盐为电解质，正负极分别添加锂的氧化镍和多孔镍为催化剂，主要应用场景包括家居、商业和工业热电联产。

质子交换膜燃料电池的核心部件为质子交换膜，是一种厚度仅为数十微米的选择透过性薄膜片，其微观结构非常复杂，仅为质子（H+）传递提供通道，同时作为隔膜将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开，其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。该类型电池以纯氢为燃料，以贵金属铂为催化剂，导电离子为H+，主要在笔记本电脑、数码产品等便携设备和车辆驱动动力领域应用。

固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，通常以煤气、天然气、甲醇、碳氢化合物等为燃料，以氧化钇稳定二氧化锆为电解质，以贵金属铂、镍、钴等为催化剂，导电离子O2-。固体氧化物燃料电池的应用主要包括包括家居、商业和工业热电联供、分布式发电、交通运输领域的辅助电源装置。

燃料电池按照工作温度不同可以分为，低温型燃料电池，其工作温度不超过100℃，包括碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池、中温燃料电池，其工作温度在100～300℃，主要有磷酸型燃料电池、以及高温燃料电池，其工作温度超过600~1000℃，包括熔融碳酸根燃料电池和固体氧化物燃料电池。

在燃料电池中，反应物可以连续供给，反应产物可以不断排出。因此，燃料电池可以在相当长的时间内连续运行，不需要更换部件或为电池充电。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，通过燃料电池能实现对能源更为有效的利用。燃料电池还具有洁净、无污染、噪声低、比功率高等优点，既可以集中供电，也适合分散供电。

能量转换效率高：燃料电池是一种将燃料的化学能转化为电能的能量转化装置，按电化学方式等温地将燃料的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环的控制，理论转换效率可达到83%。虽然受各种极化的限制，但是实际电能转化效率均在40~60%之间，若考虑余热利用，效率可达 80%以上。除了核能发电外，燃料电池的单位质量燃料所能产生的电能均优于其他发电技术。

环境友好：由于燃料电池发电过程不需要燃烧，具有高的能量转换效率，如使用的燃料是纯氢气，生成的只有水，几乎不排放硫氧化物、氮氧化物及二氧化碳等，减少大气污染。由于燃料电池结构简单，不使用其他发电技术中常用的大型涡轮机，运动部件少，因此它工作时噪声小，很安静。

安全可靠：燃料电池无论是在低于额定功率的情况下运行，还是在额定功率以上过载运行，都稳定可靠。此外，燃料电池与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，运动部件很少，结构件大多为板状和管件，构造比较简单，大大减小了运行时产生的机械振动，运行平稳，因而系统更加安全可靠。

燃料资源丰富：氢气、天然气，石油、煤炭的气化产物，醇，醛，烷烃等都可用作燃料电池的燃料，在地球的储备丰富，可以减少对化石能源的依赖。

长时间持续运行：燃料电池可以在相当长的时间内连续运行，且不需要更换部件或为电池充电，可以克服纯电动汽车续驶里程短的缺点，长途行驶能力及动力性接近传统汽车。

用途广泛：燃料电池输出功率范围很宽，在10~1000MW之间。因此，可使用的领域也很多，可为日常生活使用的便携式装置提供连续电能，也可作为电动车辆的动力电源、分散型发电站和大型集中型发电厂等。

成本高：燃料电池的电解质隔膜和稀有金属催化剂价格昂贵，据美国能源部测算燃料电池的生产成本为500美元/kW，其成本高于发电机，因而难以推广。此外，由于氢气售价不菲，燃料电池的运行使用成本也过高，远高于各种动力蓄电池。

制氢、储氢难：氢气是燃料电池的主要燃料，传统的制备方法获取纯氢需要消耗大量能量，不能从根本上解决对化石能源的依赖，还会造成污染。此外，氢气的储存和运输困难，面临急需解决的储运技术问题和泄漏等安全性问题。

耐久性及寿命低：燃料电池耐久性，是指在一定时间内燃料电池阻止性能长期退化的能力，耐久性的衰退不会导致突然失效，但是会导致其性能不可逆转的损失，与燃料电池的寿命息息相关。燃料电池产品的耐久性可以达到 5000~8000小时，在性能衰减 10% 后便不能再用，需进行更换。

固定式燃料电池通常使用高温型燃料电池，如熔体碳酸根燃料电池和固体氧化物燃料电池，它们具有效率高、持久性好、覆盖功率范围广和环境适应度强等优点，通常可以与废热（热电联产系统）结合使用来发电，通过相应的调节策略和存储策略，可用于平衡夏季或冬季运行期间的电力和热能的需求。例如，燃料电池应用于居民住宅热电联产系统，纯电效率可以达到45%，而热电联产利用率可以高达95%。因此，固定式燃料电池被广泛应用于大型供电和发热联产、居民住宅热电联产、固定电源和偏远地区或者太空的发电动力装置。

在便携领域应用的燃料电池电池通常是直接甲醇燃料电池和质子交换膜燃料电池，它们具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、运行温度低、红外信号低、隐身性能好、运行可靠、噪声小及污染少等优点，可用作便携式计算机、照相机、智能手机和实验室设备等小型设备的电源供给装置。此外，燃料电池电容大，能够极大地减轻电池携带负担，有显著的后勤优势，虽然与锂电池相比价格和性能优势并不明显，但军事领域具有良好的发展前景，可用于便携士兵电源、撬装式燃料电池发电机等军用设备。

车用燃料电池作为动力系统具有续驶里程长、加氢时间短和无污染等优势，全球汽车制造商、高速列车制造商和航空公司都在积极布局和发展燃料电池技术，并且已经发布了燃料电池汽车、燃料电池列车和燃料电池无人机等产品。

车用燃料电池以质子交换膜燃料电池作为主要的应用类型，该类型燃料电池可以在约80℃的运行温度下工作，唯一的废气是含纯净水的湿空气。与纯蓄电池汽车相比，燃料电池汽车具有更舒适、更长的续驶里程、更短的加注时间以及在低温环境下功率和续驶里程也几乎保持不变等优点。然而，燃料电池汽车购置成本高，尚不具有竞争力，仅有小批量的乘用车、公共汽车、商用车、轨道车辆和特种车辆（叉车、输送车）得到应用。

在水上用移动式燃料电池领域主要应用质子交换膜燃料电池作为驱动装置，已成功在潜水艇、赛艇、摩托艇和客船应用。燃料电池驱动虽然有绿色、无污染和低噪声等优势，但是成本高昂仍然无法大规模应用。

在航空领域，氢燃料电池驱动的无人机具有高能量密度、有效载荷高和航程长等优势。与小型内燃机相比，可靠性更高，增强了安全性和低维护操作，同时具有与电池系统驱动无人机相同的低烧和低噪声优点，能够在极端天气条件下高效运行执行情报收集、边境巡逻、空中火力支援、激光指定和战斗管理服务等功能。

燃料电池采用氢气、煤气、天然气、甲醇、碳氢化合物等可燃气体作为燃料，它们具有可燃性和可爆炸性。以氢气为例会存在气体泄漏、脆化、扩散、可燃性和爆炸性等特殊的安全性问题。燃料电池的安全性问题出现的原因主要有设备灾难性的破裂、气体的大量泄漏或缓慢泄漏，在密闭的车库内气体发生缓慢泄漏，逐渐累积导致着火或爆炸。