燃料動力電池按燃料電解質(zhì)的類型來分類的，可分為堿性燃料動力電池（AFC）、磷酸燃料動力電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料動力電池(MCFC)、固體氧化物燃料動力電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料動力電池(PENFC)五大類。

3.1堿性燃料動力電池（AFC）

堿性燃料動力電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，重要為空間任務(wù)，包括航天飛機供應(yīng)動力和飲用水。

3.1.1原理

使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，且電化學(xué)反應(yīng)也與羥基（OH）從陰極移動到陽極與氫反應(yīng)生成水和電子略有不同。這些電子是用來為外部電路供應(yīng)能量，然后才回到陰極與氧和水反應(yīng)生成更多的羥基離子。

負(fù)極反應(yīng)：2H2+4OH-→4H2O+4e-

正極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

堿性燃料動力電池的工作溫度大約80℃。因此，它們的啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料動力電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過，它們是燃料動力電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。

如同質(zhì)子交換膜燃料動力電池相同，堿性燃料動力電池對能污染催化劑的一氧化碳和其它雜質(zhì)也非常敏感。此外，其原料不能含有一氧化碳，因為一氧化碳能與氫氧化鉀電解質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鉀，降低電池的性能。

3.1.2特點

低溫性能好，溫度范圍寬，并且可以在較寬溫度范圍內(nèi)選擇催化劑，但是才用的堿性電解質(zhì)易受CO2的毒化用途因此必須要嚴(yán)格出去CO2，成本就偏高。

3.2磷酸燃料動力電池（PAFC）

磷酸燃料動力電池（PAFC）是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料動力電池。正如其名字所示，這種電池使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。磷酸燃料動力電池的工作溫度要比質(zhì)子交換膜燃料動力電池和堿性燃料動力電池的工作溫度略高，位于150-200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。其陽極和陰極上的反應(yīng)與質(zhì)子交換膜燃料動力電池相同，但由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料動力電池的陰極的速度快。

3.2.1原理

電池中采用的是100%磷酸電解質(zhì)，其常溫下是固體，相變溫度是42℃。氫氣燃料被加入到陽極，在催化劑用途下被氧化成為質(zhì)子。氫質(zhì)子和水結(jié)合成水合質(zhì)子，同時釋放出兩個自由電子。電子向陰極運動，而水合質(zhì)子通過磷酸電解質(zhì)向陰極移動。因此，在陰極上，電子、水合質(zhì)子和氧氣在催化劑的用途下生成水分子。具體的電極反應(yīng)表達(dá)如下。

陽極反應(yīng)：H2+2H2O→2H3O++2e

陰極反應(yīng)：O2+4H3O++4e→6H2O

總反應(yīng)：O2+2H2→2H2O

3.2.2特點

磷酸燃料動力電池一般工作在200℃左右，采用鉑作為催化劑，效率達(dá)到40%以上。由于不受二氧化碳限制，磷酸燃料動力電池可以使用空氣作為陰極反應(yīng)氣體，也可以采用重整氣作為燃料，這使得它非常適合用作固定電站。特點

較高的工作溫度也使其對雜質(zhì)的耐受性較強，當(dāng)其反應(yīng)物中含有1-2%的一氧化碳和百萬分之幾的硫時，磷酸燃料動力電池照樣可以工作。

磷酸燃料動力電池的效率比其它燃料動力電池低，約為40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料動力電池長。雖然磷酸燃料動力電池具有上述缺點，它們也擁有許多優(yōu)點，例如構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料動力電池可用作公共汽車的動力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運行，不過這種電池是乎將來也不會用于私人車輛。在過去的20多年中，大量的研究使得磷酸燃料動力電池能成功地用語固定的應(yīng)用，已有許多發(fā)電能力為0.2–20MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院，學(xué)校和小型電站供應(yīng)動力。

它采用磷酸為電解質(zhì)，利用廉價的炭材料為骨架。它除以氫氣為燃料外，現(xiàn)在還有可能直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣等低廉燃料，與堿性氫氧燃料動力電池相比，最大的優(yōu)點是它不要CO2處理設(shè)備。磷酸型燃料動力電池已成為發(fā)展最快的，也是目前最成熟的燃料動力電池，它代表了燃料動力電池的重要發(fā)展方向。

3.3熔融碳酸鹽燃料動力電池(MCFC)

熔融碳酸鹽燃料動力電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料動力電池。

3.3.1原理

電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽。

反應(yīng)原理示意圖如下：

陰極：O2+2CO2+4e-→2CO32-

陽極：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e-

總反應(yīng)：O2+2H2→2H2O

3.3.2特點

熔融碳酸鹽燃料動力電池是一種高溫電池（600℃～700℃），具有效率高（高于40%）、噪音低、無污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等）、余熱利用價值高和電池構(gòu)造材料價廉等諸多優(yōu)點，是下一世紀(jì)的綠色電站。

燃料動力電池工程中心研制和小批量生產(chǎn)隔膜材料和電池隔膜，制備MCFC電極并組裝數(shù)千瓦的電池組。已可批量生產(chǎn)隔膜材料LiAlO2粉料，開發(fā)成功制備1000cm2LiAlO2隔膜的工藝，已組裝了28cm2、110cm2單電池，并進(jìn)行了電池性能的評價和研究，現(xiàn)正在進(jìn)行千瓦級電池組的研制。

3.4固體氧化物燃料動力電池(SOFC)

固體氧化物燃料動力電池(SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料動力電池，是一種在中高溫下直接將儲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)為是在未來會與質(zhì)子交換膜燃料動力電池(PEMFC)相同得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料動力電池。

3.4.1原理

固體氧化物燃料動力電池的工作原理與其他燃料動力電池相同，在原理上相當(dāng)于水電解的逆裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，陽極為燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。工作時相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

在固體氧化物燃料動力電池的陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣，例如：氫氣(H2)、甲烷(CH4)、城市煤氣等，具有催化用途的陽極表面吸附燃料氣體，并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通人氧氣或空氣，具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，由于陰極本身的催化用途，使得O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢的用途下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)用途的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過外電路回到陰極。

3.4.2特點

SOFC與第一代燃料動力電池(磷酸型燃料動力電池，簡稱PAFC)、第二代燃料動力電池(熔融碳酸鹽燃料動力電池，簡稱MCFC)相比它有如下優(yōu)點：

(1)較高的電流密度和功率密度；

(2)陽、陰極極化可忽略，彼化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降；

(3)可直接使用氫氣、烴類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；

(4)防止了中、低溫燃料動力電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問題；

(5)能供應(yīng)高質(zhì)余熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達(dá)80％左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；

(6)廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)、陰極和陽極，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)；

(7)陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運行(600～1000℃)，加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡化了設(shè)備。

固體氧化物燃料動力電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點，可以直接使用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳?xì)淙剂稀Ｔ诖笮图泄╇姟⒅行头蛛姾托⌒图矣脽犭娐?lián)供等民用領(lǐng)域作為固定電站，以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等移動電源，都有廣闊的應(yīng)用前景。

3.5質(zhì)子交換膜燃料動力電池(PENFC)

質(zhì)子交換膜燃料動力電池(protonexchangemembranefuelcell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料動力電池，在原理上相當(dāng)于水電解的逆裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

3.5.1原理

兩電極的反應(yīng)分別為：

陽極(負(fù)極)：2H2-4e=4H+；陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O

注意所有的電子e都省略了負(fù)號上標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過外電路流向陰極時就出現(xiàn)了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V之間。將多個單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實際負(fù)載要的燃料動力電池堆(簡稱電堆)。

3.5.2特點

質(zhì)子交換膜燃料動力電池具有如下優(yōu)點：其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高；發(fā)電時不出現(xiàn)污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質(zhì)子交換膜燃料動力電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。