氫燃料電池（Hydrogen   fuel   battery）它是一種可以在室溫下將氫能轉(zhuǎn)化為電能的動(dòng)力裝置該裝置本質(zhì)上不是儲(chǔ)能電池，而是氫氣-電反應(yīng)器可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能“發(fā)電廠”氫燃料電池具有比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更高的能量轉(zhuǎn)換效率和能量密度的特點(diǎn)，不受卡諾循環(huán)的限制因此，它是一種清潔的動(dòng)力裝置，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸(小汽車、大巴車、摩托車、自行車)物流運(yùn)輸(叉車、卡車)船舶、飛機(jī)和無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域。

1842年，William Grove實(shí)現(xiàn)了氫氧混合發(fā)電，并以此為基礎(chǔ)研制出第一個(gè)燃料電池，稱為氣體電池。然后，在20世紀(jì)60年代，燃料電池首次在美國(guó)太空計(jì)劃中投入實(shí)際應(yīng)用。燃料電池的興起和商業(yè)化發(fā)生在21世紀(jì)此時(shí)，日本豐田汽車公司推出的第一輛燃料電池汽車Mirai未來(lái)組合燃料電池銷售模型Clarity以及各種類型的燃料電池?zé)o人機(jī)正在國(guó)際上進(jìn)行測(cè)試。

氫燃料電池根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不同可分為管式和平板式，根據(jù)工作溫度也可分為低溫和低溫、中和高溫燃料電池；但無(wú)論哪種氫燃料電池，一般都是由電堆和電控輔助系統(tǒng)組成，其工作原理是通過(guò)氧化還原反應(yīng)將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。未來(lái)氫燃料電池將以提高電池性能和壽命為目標(biāo)，向模塊化系列化方向發(fā)展。此外，它還將加強(qiáng)相關(guān)配套設(shè)施的建設(shè)，如制氫、儲(chǔ)氫、加氫等全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，逐步形成網(wǎng)絡(luò)化加氫站；并建立和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，減少制氫污染、降低制氫能耗。

氫燃料電池以氫氣或富氫氣體為燃料，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)在等溫溫度下將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能（直流電）的裝置。當(dāng)外部電路施加一定的電壓時(shí)，水可以分解為氫氣和氧氣；該實(shí)驗(yàn)裝置可以檢測(cè)外電路電流表中的一定電流這個(gè)過(guò)程既是氫燃料電池電化學(xué)反應(yīng)最基本的過(guò)程原理，也是電解水的逆過(guò)程氫和氧重新結(jié)合并在外部電路中產(chǎn)生電流。雖然這個(gè)過(guò)程與氫氣有關(guān)“燃燒”產(chǎn)品是相同的，但與真正的氫燃燒過(guò)程不同，燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，而無(wú)需熱機(jī)過(guò)程，并且沒(méi)有“燃燒”火焰”的特征。

氫燃料電池的工作原理如下圖所示電解質(zhì)將兩個(gè)半反應(yīng)分開(kāi)，氫離子在電解質(zhì)中遷移，電子在外電路中定向流動(dòng)，形成總電路，電路的電流方向與電子的運(yùn)動(dòng)方向相反。兩個(gè)半反應(yīng)分別在陽(yáng)極和陰極進(jìn)行陰極被氧化劑還原，陽(yáng)極被還原劑氧化。對(duì)于外部電路的正極和負(fù)極，根據(jù)一次電池的定義，負(fù)極是電池的正極，正極是電池的負(fù)極。

氫燃料電池的燃料和氧化劑不是儲(chǔ)存在電池中，而是儲(chǔ)存在電池外部的儲(chǔ)罐中（儲(chǔ)氫系統(tǒng)）中。當(dāng)氫燃料電池工作時(shí)（當(dāng)電流輸出并且做功時(shí)）它需要系統(tǒng)不斷向電池輸入燃料（純氫、各種富氫氣體等）和氧化劑（純氧、凈化空氣等氣體）用于同時(shí)發(fā)電和排出反應(yīng)產(chǎn)物。

氫燃料電池的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括電堆和電控輔助系統(tǒng)。

電堆：電堆是燃料電池的核心部件，是由多個(gè)燃料電池單體串聯(lián)或并聯(lián)組成的具有一定功率的電池組每個(gè)單體電池的電壓總和等于整個(gè)電池堆的輸出電壓。在電堆工作過(guò)程中，燃料伴隨在電池結(jié)構(gòu)中、對(duì)于氧化劑和冷卻劑等流體的輸入和輸出，電堆結(jié)構(gòu)需要完成流體分配和機(jī)械密封的功能。此外，作為電力輸出源，電堆通常具有大電流和高電壓，因此電堆需要滿足電絕緣的基本功能。

氫燃料電池堆主要由雙極板組成、膜電極組件、密封墊片、排熱板、集電極、 絕緣板、其中膜電極的結(jié)構(gòu)可以分解為氣體擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜。氫燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在膜電極上。

堆疊具有復(fù)雜而精細(xì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)電池組由幾組層疊的單體電池組成，加上兩側(cè)和最外端板的正極和負(fù)極集流體。其中每個(gè)單體電池由膜電極組件組成、兩個(gè)相鄰的密封件和兩個(gè)陽(yáng)極和陰極單極，陽(yáng)極和陰極單極的組合可以形成雙極板；堆疊片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性由外部緊固螺栓或帶施加的組裝力來(lái)維持，并且組裝力施加在端板上端板作為電堆的結(jié)構(gòu)件，需要具有一定的強(qiáng)度和剛度，以保證組裝力在電池平面上的穩(wěn)定性和均勻分布；每個(gè)單體電池串聯(lián)連接，并且集電板用作電力輸出端子以將堆電力輸出到外部負(fù)載。

雙極板：電池組由多個(gè)單體電池堆疊而成，電池之間的連接由極板直接完成 除了電池堆兩端的極板，中間的極板一邊是陽(yáng)極，另一邊是陰極，所以叫雙極板。雙極板起到電池之間隔離的作用。雙極板設(shè)置有用于提供燃料的流動(dòng)通道（氫氣）和氧化劑（氧氣或空氣）的通道。反應(yīng)后，剩余的反應(yīng)氣體和反應(yīng)產(chǎn)生的水通過(guò)雙極板流道從電池中排出。雙極板的兩側(cè)都具有流動(dòng)通道。

膜電極：氫燃料電池是質(zhì)子交換膜、催化層、集成擴(kuò)散層被稱為膜電極組件，是燃料電池的核心部件。

質(zhì)子交換膜：質(zhì)子膜主要用于隔離陰極、陽(yáng)極與氣體和電子反應(yīng)并傳輸氫離子。質(zhì)子交換膜主要包括全氟磺酸型 部分氟化磺酸型和新型非氟化聚合物。

為了滿足燃料電池的應(yīng)用，質(zhì)子交換膜應(yīng)滿足以下要求：

質(zhì)子電導(dǎo)率高，電導(dǎo)率一般為0.1S/cm的數(shù)量級(jí)；

高化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性；

對(duì)反應(yīng)氣體和其他特定燃料的滲透性低；

機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性可接受，適用于膜電極的制備和電池組的組裝。

催化層：催化層中催化劑的存在可以加速氫燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，使氫離子的產(chǎn)生速度加快，其轉(zhuǎn)移速度也會(huì)加快，從而保證電池的供電。電池的催化層是整個(gè)電池的核心。氫燃料電池的催化劑需要能夠耐受電解質(zhì)的腐蝕并具有高催化活性。最早的燃料電池催化劑使用鉑作為主要成分。在質(zhì)子膜燃料電池領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了鉑黑催化劑、Pt/C催化劑、PtM催化劑、非鉑催化劑和非金屬催化劑。

氣體擴(kuò)散層：氣體擴(kuò)散層位于膜電極的最外層，并在氫燃料電池中起支撐催化層的作用、導(dǎo)氣排水導(dǎo)流等重要功能。一般來(lái)說(shuō)，氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)分為兩層，即多孔碳纖維基材和微孔層。多孔碳纖維基材是氣體擴(kuò)散層的支撐部分。常見(jiàn)的多孔碳纖維基材一般是碳紙和碳纖維布，因?yàn)樘技堅(jiān)诤穸壬稀⑺诳讖胶蜋C(jī)械強(qiáng)度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，已成為氫燃料電池氣體擴(kuò)散層的主要材料。

集電極、密封墊片、絕緣板：集電板由銅板制成，安裝在電池堆的兩端，即電池堆的電力輸出端。為了防止工作氣體和冷卻液的泄漏，在所有疊放的零件之間要放置密封墊，密封墊要用特殊的橡膠板切割。到2023年底，許多燃料電池已經(jīng)不使用密封墊片，而是使用燃料電池專用密封劑來(lái)粘合堆疊的零件以提高生產(chǎn)效率。絕緣墊圈安裝在集電板和端蓋之間，以防止端蓋帶電。由具有良好絕緣性和一定彈性的合成材料制成。

電控輔助系統(tǒng)：電子控制輔助系統(tǒng)通常包括燃料子系統(tǒng)、空氣子系統(tǒng)、熱管理子系統(tǒng)和系統(tǒng)控制器等燃料子系統(tǒng)、在系統(tǒng)控制器的控制下，空氣子系統(tǒng)和熱管理子系統(tǒng)分別混合燃料、空氣和冷卻劑被引入電池堆的相應(yīng)空腔中，以為電池堆提供穩(wěn)定的工作條件電堆的反應(yīng)性和運(yùn)行穩(wěn)定性在很大程度上取決于電堆和輔助系統(tǒng)之間的匹配條件。

供氣系統(tǒng)的部件包括：空氣壓縮機(jī)、加濕冷卻器、空氣供應(yīng)管路、回流管、背壓閥等。當(dāng)氫燃料電池運(yùn)行時(shí)，空氣壓縮機(jī)對(duì)環(huán)境空氣加壓并將其送到加濕冷卻器，在那里加濕和冷卻，然后通過(guò)供氣管道將其送到電堆的陰極氣體流場(chǎng)，未完全反應(yīng)的多余氣體通過(guò)回流管和背壓閥排放到大氣中。

熱管理子系統(tǒng)根據(jù)散熱方式的不同可以分為多種類型，其中氫燃料電池系統(tǒng)最常用的冷卻方式是水冷。水冷熱管理系統(tǒng)的組件主要包括：冷卻水泵、節(jié)溫器、散熱器、加熱器、冷卻水箱、冷卻液管路等。當(dāng)氫燃料電池冷啟動(dòng)時(shí)，加熱器將快速加熱冷卻水以滿足電堆的溫度需求并加快化學(xué)反應(yīng)速率；當(dāng)氫燃料電池的負(fù)載功率過(guò)大而無(wú)法產(chǎn)生更多熱量時(shí)，冷卻劑流經(jīng)電堆內(nèi)部以帶走多余的廢熱，從而降低電堆的溫度。

氫燃料電池的分類與燃料電池完全相同，可以基于不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、工作溫度的不同、通過(guò)使用不同電解質(zhì)和不同支持方法等多個(gè)維度進(jìn)行分類。

根據(jù)所用電解液的不同點(diǎn)：氫燃料電池根據(jù)使用的電解質(zhì)不同分為堿性燃料電池（Alkaline   fuel   battery, AFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton   Exchange   Membrane   Fuel   Battery, PEMFC）磷酸燃料電池（PAFC phosphoric acid   acid   fuel   battery）熔融碳酸鹽燃料電池（Molten   carbonate   fuel   battery, MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC solid   oxide   fuel   battery）下表詳細(xì)描述了不同電解質(zhì)燃料電池的導(dǎo)電離子、工作溫度、燃料、氧化劑、催化劑、系統(tǒng)發(fā)電效率、性能特征和通用字段。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的不同點(diǎn)：根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，氫燃料電池可分為管式和平板式。管狀電池的結(jié)構(gòu)特征是一側(cè)的底部是密封的，而另一側(cè)由開(kāi)口管制成。從內(nèi)到外，有多孔結(jié)構(gòu)管起支撐作用、陰極、電解質(zhì)和陽(yáng)極。管狀結(jié)構(gòu)的氫燃料電池?zé)o需高溫密封即可隔離正負(fù)極中的流體，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、優(yōu)異的熱循環(huán)性能等。

然而，管狀結(jié)構(gòu)也有許多局限性，例如電流路徑長(zhǎng)以及相關(guān)組件的電導(dǎo)率低，因此其輸出功率密度明顯低于扁平結(jié)構(gòu)。此外，平板結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，關(guān)鍵部件的制備工藝不復(fù)雜且原料便宜，在大規(guī)模生產(chǎn)中容易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。然而，平板氫燃料電池也受到密封困難和機(jī)械性能弱的限制。

根據(jù)不同的工作溫度：根據(jù)運(yùn)行溫度，氫燃料電池可分為低溫型、中和高溫燃料電池。低溫燃料電池的工作溫度通常低于100℃，中溫燃料電池的工作溫度通常為100 ~ 300℃，高溫燃料電池的工作溫度通常為600 ~ 1000℃。

根據(jù)支持模式的不同點(diǎn)：在制備單電池時(shí)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和對(duì)機(jī)械性能的要求，選擇多孔介質(zhì)或氫燃料電池的任何關(guān)鍵部件作為支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)作為支撐結(jié)構(gòu)的任何關(guān)鍵部件的不同，它可以分為陽(yáng)極支撐、電解質(zhì)支撐和陰極支撐的氫燃料電池。

優(yōu)點(diǎn)

效率更高。氫燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其熱電效率理論上可達(dá)85%~90%然而，由于電化學(xué)反應(yīng)中極化的限制，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率為40%～60%的范圍內(nèi)。然而，如果實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上，它比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的工作效率要高得多。

環(huán)境友好。以純氫作為氫燃料電池的燃料時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物只有水，不會(huì)產(chǎn)生其他污染物而且，氫燃料電池發(fā)電沒(méi)有熱機(jī)的燃燒過(guò)程，因此幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物，從而減少了對(duì)大氣的污染。

能源安全。氫燃料電池使用氫作為燃料。雖然氫在自然界中不以游離形式存在，但可以使用現(xiàn)有的能源（可再生能源、核能、生物能、煤，或者天然氣）它是通過(guò)水電解法或烴重整制得的。這可以大大減少對(duì)石油能源的依賴。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音低。氫燃料電池具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、緊湊，系統(tǒng)不需要太多的輔助部件。安靜工作，低噪音。可靠性高。在氫燃料電池中，運(yùn)動(dòng)部件很少，可靠性高，可用于特殊場(chǎng)合，如應(yīng)急電源或不間斷電源。

兼容性好、規(guī)模可調(diào)節(jié)。氫燃料電池具有傳統(tǒng)電池的構(gòu)建模塊特性，可用于串聯(lián)多個(gè)電池、對(duì)外并聯(lián)供電，也可作為各種規(guī)格的分布式電源和移動(dòng)電源。通過(guò)改變單個(gè)電池的數(shù)量或電池之間的連接方式（串聯(lián)或者并聯(lián)）調(diào)整刻度以向外部提供所需的電源刻度。

缺點(diǎn)

氫氣的制備成本和運(yùn)輸成本太高。根據(jù)氫氣的制造方法不同，分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。煤灰氫是在煤炭冶煉和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的制氫工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，約占總產(chǎn)氫量的80%但是在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳（CO2）等溫室氣體排放。藍(lán)色氫氣由天然氣通過(guò)蒸汽重整制得，在此過(guò)程中會(huì)捕獲溫室氣體，從而減少對(duì)環(huán)境的影響。另一方面，綠氫是由電解水制成的，而電解水需要電力來(lái)生產(chǎn)在此過(guò)程中沒(méi)有碳排放，但制氫的經(jīng)濟(jì)成本很高，目前僅占制氫總量的不到2%

控制技術(shù)復(fù)雜、成本高。對(duì)比傳統(tǒng)燃油車、混合動(dòng)力汽車、在純電動(dòng)汽車中，氫燃料電池的控制參數(shù)更多，控制技術(shù)更復(fù)雜。車上的氫-電堆的價(jià)格是普通儲(chǔ)能電池的幾倍，整車價(jià)格也比同檔次電動(dòng)車高幾倍。

氫燃料電池的原料通常只有氫氣和氧氣，可以持續(xù)發(fā)電，排放物只有水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染它屬于第四代最穩(wěn)定的發(fā)電技術(shù)，是真正的清潔能源。同時(shí)，氫的能量密度大約是汽油的三倍，氫-電反應(yīng)器的能量轉(zhuǎn)換效率甚至高達(dá)60%~80%普通汽油內(nèi)燃機(jī)的熱能利用率只有25%大約，氫燃料的能量轉(zhuǎn)換效率是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的兩倍以上。另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，如果氫燃料爆炸，它產(chǎn)生的熱量會(huì)減少，火焰會(huì)上升得更快，這使它比汽油更安全因此，氫燃料電池已在許多領(lǐng)域中用作電源、清潔能源。

交通領(lǐng)域

氫燃料電池已經(jīng)應(yīng)用于公共汽車、汽車等客運(yùn)。例如，自2003年以來(lái)，中國(guó) 中國(guó)科技部與全球環(huán)境基金合作（GEF）和聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署（UNDP） 開(kāi)始在中國(guó)組織實(shí)施“中國(guó)燃料電池客車商業(yè)化示范項(xiàng)目”在2008年北京奧運(yùn)會(huì)和2010年上海世博會(huì)上，分別有3輛氫能公交車和6輛氫能公交車投入服務(wù)和示范運(yùn)營(yíng)。在2014年11月的洛杉磯車展上，豐田汽車公司推出了氫燃料電池汽車Mirai未來(lái)組合（日語(yǔ)“ 未來(lái)” 或“  future”這是世界 第一輛用于商業(yè)銷售的氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車沒(méi)有噪音、無(wú)污染、采用高功率氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，并增加了儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫氣入口和H2安全報(bào)警裝置。

物流領(lǐng)域

因?yàn)樨涇嚕绕涫侵匦涂ㄜ嚭苤亍⒂捎诼吠具b遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的電池技術(shù)可能 無(wú)法滿足這種物流運(yùn)輸車輛的需求。氫燃料電池技術(shù)依賴于輕質(zhì)燃料、燃料加注快、長(zhǎng)續(xù)航里程和零排放的特點(diǎn)使業(yè)界普遍認(rèn)為氫燃料電池技術(shù)適用于物流運(yùn)輸車輛。例如，2016年8月底和12月初，美國(guó)尼古拉汽車公司（Nikolai   engine）Nikola One氫燃料電池重型卡車在鹽湖城正式公布并展示。基于電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該車使用定制的800V氫燃料電池系統(tǒng)提供電力。叉車廣泛應(yīng)用于物流領(lǐng)域。電動(dòng)叉車效率很高、低噪音和無(wú)排放在工作中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在冷鏈存儲(chǔ)領(lǐng)域。

船舶領(lǐng)域

為了實(shí)現(xiàn)船舶零碳零污染，多種零碳船舶動(dòng)力技術(shù)路線應(yīng)運(yùn)而生，其中氫燃料電池?zé)o排放、無(wú)污染，電池壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，用在艦船上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。氫燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到2000年6月，Hydra可搭載22名乘客（船）在德國(guó)開(kāi)始示范運(yùn)營(yíng)。這艘船的想法是由克里斯蒂安 馬赫在1999年提出的。九頭蛇也得到了勞埃德 即使溫度低于冰點(diǎn)，其氫燃料電池系統(tǒng)也可以啟動(dòng)。

其他領(lǐng)域

飛機(jī)中的氫燃料電池、無(wú)人機(jī)、摩托車和自行車也用于其他領(lǐng)域。2003年，首架由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的螺旋槳飛機(jī)試飛。2008年2月，波音公司及其歐洲合作伙伴成功測(cè)試了一架載人氫燃料電池飛機(jī)。2016年12月，由德國(guó)航天中心(German space center)HY4參與了成功飛行，這是世界上第一架氫燃料電池客機(jī)。

2009年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的 無(wú)人機(jī)使用氫燃料電池?zé)o人機(jī)飛行了23小時(shí)17分鐘。2011年，有報(bào)道稱波音公司已經(jīng)完成了一款名為Phanton Eye的機(jī)型（幽靈之眼）的無(wú)人機(jī)的行試。

2005年，英國(guó)公司Intelligent Energy生產(chǎn)了一款以氫為動(dòng)力的摩托車ENV，最高時(shí)速可達(dá)80 公里小時(shí)/ h，行駛里程160公里。2004年，一些制造商還將氫燃料電池應(yīng)用于自行車和踏板車。