燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來(lái)說(shuō)明燃料電池

（一）技術(shù)原理：通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放出電能

燃料電池是利用水的電解的逆反應(yīng)的發(fā)電機(jī)，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放出電能。燃料電池以氫或富氫氣體為燃料，以空氣中的氧為氧化劑，等溫地按電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

燃料電池的工作原理與普通電化學(xué)電池相類(lèi)似，兩者都是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。然而從實(shí)際應(yīng)用來(lái)考慮，兩者又存在較大的差別。普通電池只是一個(gè)有限的電能輸出和儲(chǔ)存裝置；而燃料電池是一個(gè)可以連續(xù)不斷產(chǎn)生電能的氫氧發(fā)電裝置。

1.氫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、零排放、燃料氫取得容易等特點(diǎn)。

2.燃料電池由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板以及外部電路所組成。

燃料電池的陽(yáng)極是氫電極，陰極是氧電極，兩極之間是電解質(zhì)，可分為堿性型、磷酸型、固體氧化物型、熔融碳酸鹽型和質(zhì)子交換膜型。另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

（二）燃料電池種類(lèi):MCFC、PEMFC、SOFC是最接近商用化的類(lèi)型

按電解質(zhì)分，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）；磷酸燃料電池（PAFC）；熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）；固體氧化物燃料電池（SOFC）；質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五種。按工作溫度分，燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類(lèi)型。低溫(＜100oC)；中溫(100~500oC)高溫(＞500oC)。

從目前的商業(yè)應(yīng)用來(lái)看，熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）與固體氧化物燃料電池（SOFC）型燃料電池是最主要的技術(shù)路線(xiàn)，其中MCFC和SOFC主要有應(yīng)用于固定式燃料電池電站、家用熱電聯(lián)產(chǎn)，PEMFC主要應(yīng)用與燃料電池汽車(chē)。

1.固體氧化物燃料電池（SOFC）

固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡(jiǎn)稱(chēng)SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來(lái)會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。

在所有的燃料電池中，SOFC的工作溫度最高，屬于高溫燃料電池。近些年來(lái)，分布式電站由于其成本低、可維護(hù)性高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)漸漸成為世界能源供應(yīng)的重要組成部分。由于SOFC發(fā)電的排氣有很高的溫度，具有較高的利用價(jià)值，可以提供天然氣重整所需熱量，也可以用來(lái)生產(chǎn)蒸汽，更可以和燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)，非常適用于分布式發(fā)電。燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不但具有較高的發(fā)電效率，同時(shí)也具有低污染的環(huán)境效益。

國(guó)外的公司及研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了SOFC電站的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，100kW管式SOFC電站己經(jīng)在荷蘭運(yùn)行。Westinghouse公司不但試驗(yàn)了多個(gè)kW級(jí)SOFC，而且正在研究MW級(jí)SOFC與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。日本的三菱重工及德國(guó)的Siemens公司都進(jìn)行了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

2.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)以高溫下處于熔融狀態(tài)的碳酸鹽（碳酸鋰、碳酸鉀）作為電解質(zhì)、工作溫度600-700°C，發(fā)電效率45%-55%，具有不需要使用貴金屬催化劑、也可不適用純氫，熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)能量轉(zhuǎn)化率高的特點(diǎn)。因650°C的碳酸鹽具有強(qiáng)腐蝕性，因此MCFC陽(yáng)極通常采用多孔鎳電極，陰極采用燒結(jié)鎳電池。1991年后日本把該型電池作為研究重點(diǎn)。

3.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

質(zhì)子交換膜燃料電池（英語(yǔ)：ProtonExchangeMembraneFuelCell，簡(jiǎn)稱(chēng)：PEMFC），又稱(chēng)固體高分子電解質(zhì)燃料電池（英語(yǔ)：PolymerElectrolyteMembraneFuelCells），是一種以含氫燃料與空氣作用產(chǎn)生電力與熱力的燃料電池，膜極組和集電板串聯(lián)組合成一個(gè)燃料電池堆。質(zhì)子交換膜燃料電池主要有氫燃料電池、甲醇重整燃料電池和直接甲醇燃料電池三種。目前，尤以氫燃料電池倍受電源研究開(kāi)發(fā)人員的注目。它的結(jié)構(gòu)緊湊，工作溫度低（只有80℃），啟動(dòng)迅速，功率密度高，工作壽命長(zhǎng)。

PEMFC的核心是一涂有鉑催化劑的彈性塑料膜。鉑催化劑把氫氣轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子，只有質(zhì)子可以通過(guò)電解質(zhì)膜，與膜另一側(cè)的氧結(jié)合生成水，而電子在閉合的外電路中形成電流。燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池相對(duì)低溫與常壓的特性，加上對(duì)人體無(wú)化學(xué)危險(xiǎn)、對(duì)環(huán)境無(wú)害，適合應(yīng)用在日常生活，得到了廣泛的應(yīng)用。世界各大汽車(chē)集團(tuán)競(jìng)相投入巨資，研究開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)和代用燃料汽車(chē)。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車(chē)動(dòng)力源，PEMFC電動(dòng)車(chē)被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)車(chē)的未來(lái)發(fā)展方向。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)首先將PEMFC用于Gemini宇航飛行。伴隨著全氟磺酸型質(zhì)子交換膜碳載鉑催化劑等關(guān)鍵材料的應(yīng)用和發(fā)展，80年代，PEMFC的研究取得了突破性進(jìn)展，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)催化劑做了大量改進(jìn)，使鉑的用量減少了90%，同時(shí)全球領(lǐng)先的燃料電池開(kāi)發(fā)商，加拿大的巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司通過(guò)改進(jìn)電解質(zhì)膜，使電池的能量密度成倍增加，電池的性能和壽命大幅提高，電池組的體積比功率和質(zhì)量比功率分別達(dá)到1000W/L、700W/kg，超過(guò)了DOE和PNGV制定的電動(dòng)車(chē)指標(biāo)。90年代以來(lái)，基于質(zhì)子交換膜燃料電池高速進(jìn)步，各種以其為動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)相繼問(wèn)世，至今全球已有數(shù)百臺(tái)以PEMFC為動(dòng)力的汽車(chē)、特種、電站在國(guó)內(nèi)外示范運(yùn)行。

由于質(zhì)子交換膜燃料電池高效、環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，引起了世界各發(fā)達(dá)國(guó)家和各大公司高度重視，并投巨資發(fā)展這一技術(shù)。美國(guó)政府將其列為對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全至為關(guān)鍵的27個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域之一；加拿大政府將燃料電池產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家知識(shí)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一加以發(fā)展；美國(guó)三大汽車(chē)公司（GM，F(xiàn)ord，Chryster）、德國(guó)的Dajmier-Benz、日本的Toytomotor等汽車(chē)公司均投入巨資開(kāi)發(fā)PEMFC汽車(chē)。