燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)裝置，也稱為電化學(xué)發(fā)電機(jī)。它是繼水力發(fā)電、繼火力發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高;此外，燃料電池同時(shí)使用燃料和氧氣作為機(jī)械傳動部件，因此沒有噪音原料，有害氣體的排放也很少；聲污染。因此，從節(jié)能和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有前途的發(fā)電技術(shù)。

通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。理論上，燃料電池可以在接近100℃的溫度下工作%熱效率下運(yùn)行，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。目前由于各種技術(shù)因素的限制，考慮到整個裝置系統(tǒng)的能耗，總轉(zhuǎn)換效率大多為45%～60%在此范圍內(nèi)，如果考慮熱量利用，可以達(dá)到80%以上。此外，燃料電池裝置不包含或包含很少的運(yùn)動部件，其運(yùn)行可靠，需要更少的維護(hù)，并且比傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組更安靜。此外，電化學(xué)反應(yīng)是清潔的、完全，很少產(chǎn)生有害物質(zhì)。這些都使得燃料電池被認(rèn)為是一種很有前途的能源動力裝置。

燃料電池是一種電化學(xué)發(fā)電裝置，在等溫溫度下以電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)的限制，因此能量轉(zhuǎn)化效率高，無噪音，無污染，正成為一種理想的能源利用方式。同時(shí)，隨著燃料電池技術(shù)的不斷成熟和西氣東輸工程提供的充足天然氣源，燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，根據(jù)電化學(xué)原理，也就是原電池的工作原理，將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，所以實(shí)際過程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解液和外部電路。燃料氣體和氧化氣體分別從燃料電池的陽極和陰極引入。燃料氣體在陽極釋放電子，電子通過外電路傳導(dǎo)到陰極，與氧化氣體結(jié)合產(chǎn)生離子。在電場的作用下，離子通過電解質(zhì)遷移到陽極，與燃?xì)夥磻?yīng)形成回路，產(chǎn)生電流。同時(shí)，由于自身的電化學(xué)反應(yīng)和電池的內(nèi)阻，燃料電池也會產(chǎn)生一些熱量。電池的陰、陽極和陰極不僅傳導(dǎo)電子，還充當(dāng)氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料是碳?xì)浠衔飼r(shí)，要求陽極具有較高的催化活性。陰、陽極和陰極通常是多孔結(jié)構(gòu)，以便于引入反應(yīng)氣體和排出產(chǎn)物。電解質(zhì)可以轉(zhuǎn)移離子和分離燃料氣體、氧化氣的作用。為了防止兩種氣體混合造成電池短路，電解液通常具有致密的結(jié)構(gòu)。

燃料電池的原理是一種電化學(xué)裝置，其成分與一般電池相同。它的單個電池由正極和負(fù)極組成(負(fù)電極是燃料電極，正電極是氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是，一般電池中的活性物質(zhì)都儲存在電池中，從而限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)電極本身不包含活性材料，而僅僅是催化轉(zhuǎn)化元件。因此，燃料電池是名副其實(shí)的能量轉(zhuǎn)換機(jī)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池工作時(shí)，從外部供給燃料和氧化劑進(jìn)行反應(yīng)。原則上，只要不斷地輸入反應(yīng)物，不斷地排出反應(yīng)產(chǎn)物，燃料電池就能不斷地發(fā)電。

燃料電池的主要部件是：電極（electrode）電解質(zhì)隔膜（Electrolyte   membrane）與集電器（Current   collector）等。

1、電極

燃料電池的電極是發(fā)生燃料氧化反應(yīng)和氧化劑還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所，其性能取決于催化劑的性能、電極材料和電極制造工藝等。

電極可以分為兩部分，一部分是陽極（Anode），另一為陰極（Cathode），厚度一般為200－500mm；其結(jié)構(gòu)與一般電池的平板電極不同之處在于燃料電池的電極是多孔的，所以設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池中使用的燃料和氧化劑大部分是氣體（例如氧氣、氫氣等）但是氣體在電解液中的溶解度并不高為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度，減少極化，開發(fā)了多孔電極，增加參與反應(yīng)的電極表面積，這是燃料電池能夠從理論研究階段進(jìn)入實(shí)用階段的重要關(guān)鍵原因之一。

目前，高溫燃料電池的電極主要由催化材料制成，如固體氧化物燃料電池（簡稱SOFC）的Y2O3－stable－ZrO2（簡稱YSZ）和熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC）氧化鎳電極等而低溫燃料電池主要由氣體擴(kuò)散層支撐的催化劑材料薄層組成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC）的白金電極等。

2、電解質(zhì)隔膜

電解質(zhì)膜的主要作用是隔離氧化劑和還原劑，傳導(dǎo)離子，所以電解質(zhì)膜越薄越好，但強(qiáng)度也要考慮就目前的技術(shù)而言，其厚度一般在幾十毫米到幾百毫米左右；至于材料，目前主要有兩個發(fā)展方向一種是先用石棉（asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAlO3）隔膜和其他絕緣材料制成多孔隔膜，然后浸入熔融鋰中－鉀碳酸鹽、氫氧化鉀和磷酸等，貼在隔膜孔上，另一種是全氟磺酸樹脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）

3、集電器

集流體也稱為雙極板（Bipolar   plate），具有收集電流、將氧化劑和還原劑分開、集電器的性能主要取決于其用于轉(zhuǎn)移反應(yīng)氣體的材料特性、流場設(shè)計(jì)及其加工技術(shù)。

堿性燃料電池(AFC)是最早發(fā)展起來的燃料電池技術(shù)，于20世紀(jì)60年代成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域。磷酸型燃料電池(PAFC)也是目前應(yīng)用最成熟的第一代燃料電池技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用和量產(chǎn)。由于成本較高，目前只能作為區(qū)域電站現(xiàn)場供電、供熱。熔融碳酸燃料電池(MCFC)是第二代燃料電池技術(shù)，主要用于設(shè)備發(fā)電。固體氧化物燃料電池(SOFC)以其全固態(tài)結(jié)構(gòu)、更高的能效和更好的燃?xì)庑阅?、天然氣、混合氣體和其他燃料氣體具有適應(yīng)性廣發(fā)展最快應(yīng)用廣泛等突出特點(diǎn)，成為第三代燃料電池。

目前，正在開發(fā)的商用燃料電池包括質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)其能效和能量密度高，體積和重量小，冷啟動時(shí)間短，運(yùn)行安全可靠。另外，由于使用的電解質(zhì)膜是固體，可以避免電解質(zhì)腐蝕。燃料電池技術(shù)的研發(fā)取得了很大進(jìn)展，技術(shù)逐漸成熟，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。作為21世紀(jì)的高科技產(chǎn)品，燃料電池已經(jīng)應(yīng)用于汽車工業(yè)、能源發(fā)電、船舶工業(yè)、航空航天、家用電源等行業(yè)已經(jīng)引起了世界各國政府的重視。

中國 美國的燃料電池研究始于20世紀(jì)50年代末，國內(nèi)燃料電池研究的第一個高峰出現(xiàn)在70年代，主要是國家投入的用于航空航天的AFC，如氨/空氣燃料電池、肼/空氣燃料電池、乙二醇/空氣燃料電池等.中國 美國燃料電池的研究在20世紀(jì)80年代處于低谷20世紀(jì)90年代以來，隨著國外燃料電池技術(shù)的巨大進(jìn)步，我國形成了新一輪的燃料電池研究熱潮.1996年舉行的第59屆香山科學(xué)大會專門進(jìn)行了討論“燃料電池的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展”鑒于國外PAFC技術(shù)成熟，進(jìn)入商品開發(fā)階段，中國重點(diǎn)研發(fā)PEMFC、MCFC和SOFC.中國科學(xué)院將燃料電池技術(shù)列為“九五”國家科委還將包括DAFC在內(nèi)的燃料電池技術(shù)列入了該所的重大專項(xiàng)支持項(xiàng)目“九五”十五”攻關(guān)、( 863)973”等重大計(jì)劃之中。燃料電池的發(fā)展是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，“官、產(chǎn)、研”組合是國際燃料電池研發(fā)的顯著特點(diǎn)，也是必由之路。目前中國政府高度重視，研究單位眾多，有多年的人才儲備和科研積累，工業(yè)部門的興趣日益增加，需求迫切，這些都為燃料電池在中國的快速發(fā)展帶來了無限生機(jī).