1.质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池又名固体高聚合物电解质燃料电池。质子交换膜燃料电池，用可传导质子的聚合膜作为电解质。这种聚合膜具有选择性透过H+的功能，是质子交换膜燃料电池的关键技术，质子交换膜的性能，直接影响燃料电池的使用寿命。质子交换膜燃料电池的能量转换效率理论上可达到70%~80%，现在各国研发的质子交换燃料电池的实际能量转换效率已达到50%~60%。质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、可实现零排放、运行噪声低、可靠性高、维护方便、发电效率受负荷变化影响很小的特点。从目前发展情况看，质子交换膜燃料电池是技术最成熟的电动车动力源。

质子交换燃料电池工作时，相当于一个直流电源，其阳极就是电源负极，阴极为电源正极，氢分子在阳极被转变成氢离子的同时释放出电子，电子通过外电路回到电池阴极，与此同时，氢离子则通过电池内部高分子膜电解质到达阴极。在阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子，和氢离子结合生成水。质子交换膜燃料电池的工作原理如图5-2 所示。

图5-2

阳极（燃料极） 上产生的化学反应方程式如下：

阴极（氧化极） 上产生的化学反应方程式如下：

总的化学反应如下：

单个燃料电池的电动势小于1V，通常是把数百个燃料电池组合在一起做成一个燃料电池堆，这样的电池堆的总电压是每个单电池电压的总和。汽车中的燃料电池堆含有400多个电池，如图5-3所示（质子交换膜燃料电池）。

图5-3

2.碱性燃料电池（AFC）

碱性燃料电池是技术发展最早的一种燃料电池，应用于阿波罗飞船上的就是这种电池，1959年驱动叉车的燃料电池也是碱性燃料电池。其结构与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电解质为采用35%~45%的KOH或NaOH溶液。

碱性燃料电池的优点是工作温度低，成本较低，可以用价格低的耐碱塑料制作电池本体，可以用镍代替铂作催化剂。其缺点是电池对CO敏感，电解液与空气中的CO2接触会生成碳酸根离子，从而影响输出功率；另外需要冷却装置维持其较低的工作温度。

在碱性燃料电池的阳极，氢气与电解质中的OH-在电子及催化剂的作用下，发生氧化反应，生成水和电子，电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应，生成OH-。OH- 再通过饱浸碱液的多孔石棉迁移到氢电极，如图5-4所示（碱性燃料电池结构图）。

图5-4

1-氢气流入；2-产生电子及水；3-电子经由外电路流回阴极；4-氧气流入与水及电子反应形成氢氧根离子；5-阴极；6-电解质；7-阳极；8-水蒸气由出口排出；9-氢氧根离子流回阳极

阳极上产生的化学反应方程式如下：

阴极上产生的化学反应方程式如下：

3.磷酸燃料电池（PAFC）

磷酸型燃料电池是目前使用最多的燃料电池之一，磷酸燃料电池采用的电解质是100%磷酸，其常温下是固体，相变温度是42℃。磷酸型燃料电池的优点是构造简单、稳定，电解质挥发度低，不需要纯氢作燃料。磷酸燃料电池的缺点是，用贵金属作催化剂成本较高，效率比其他燃料电池低，约为 40%，磷酸燃料电池一般工作在200℃左右，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。

以天然气为燃料的11kW磷酸型燃料电池验证性电站已建成并投入运行，它的综合热效率可达到70%~80%。采用磷酸型燃料电池的50～250kW的独立发电设备可用于医院、旅馆等，作为分散的发电站。(www.daowen.com)

磷酸燃料电池的电极反应与质子交换膜燃料电池一样。氢气燃料被加入到阳极，在催化剂作用下被氧化成质子，氢质子和水结合成水合质子，同时释放出两个自由电子。电子经外电路向阴极运动，而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动，如图5-5所示（磷酸燃料电池的结构图）。在阴极上，电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。

阳极上产生的化学反应方程式如下：

阴极上产生的化学反应方程式如下：

图5-5

4.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

熔融碳酸盐燃料电池的电解质一般为碱金属的碳酸盐混合物，隔膜材料是LiAiO2，正极和负极分别为添加锂的氧化镍和多孔镍。熔融碳酸盐燃料电池的工作温度为650～700℃，属高温燃料电池，具有效率高、噪声低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料廉价等诸多优点。MCFC以天然气、煤气和各种碳氢化合物为燃料，可以实现减少40%以上的CO2排放，也可以实现热电联供或联合循环发电，将燃料的有效利用率提高到70%~80%。

熔融碳酸盐燃料电池的电解质，加热到650℃时熔化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水、二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这一过程中发电。熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图5-6所示。

阳极上产生的化学反应方程式如下：

阴极上产生的化学反应方程式如下：

图5-6

5.固态氧化物燃料电池

固态氧化物燃料电池是指使用氧化锆等固体氧化物为电解质且在高温下工作的燃料电池。固态氧化物燃料电池工作温度在1000℃，比熔化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，比熔化的碳酸盐燃料电池更稳定。固态氧化物燃料电池的效率约为60%，全固态固体氧化物材料制取困难，制作工艺复杂。由于其性脆易裂，在制成固体氧化物燃料电池所需要的大面积的薄売结构时，会大量地增加固体氧化物燃料电池的制造成本。

固态氧化物燃料电池中，氧阳离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）时便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。固态氧化物燃料电池的工作原理图如图5-7所示。

阳极上产生的化学反应方程式如下：

在阴极，氧分子得到电子被还原为氧离子，阴极上产生的化学反应方程式如下：

图5-7

6.甲醇燃料电池

相比于氢能源，甲醇是一种更加便宜的液态燃料，便于存储、易运输，并具有更高的理论能量密度。甲醇替代氢作为燃料，被应用于燃料电池中。甲醇燃料电池的催化剂主要采用铂纳米材料制成，在制备过程中，会产生毒化、析出等副作用，使得铂纳米催化剂的有效面积活性和质量活性逐渐降低，严重影响了甲醇燃料电池的使用寿命。甲醇本身具有腐蚀性，不能存储在现有的燃油箱中，需要一个专门的装置单独处理和存储甲醇。在甲醇燃料电池中，甲醇穿过膜装置会降低电池的工作性能。甲醇燃料电池距离大规模应用还有一段距离。