【導讀】質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）使用水基的酸性聚合物膜作為其電解質(zhì)，具有鉑基電極。PEMFC電池在相對低的溫度（低于100攝氏度）下操作并且可以定制電輸出以滿足動態(tài)功率需求。由于相對低的溫度和使用基于貴金屬的電極，這些電池必須在純氫氣下操作。
PEMFC
PEMFC電池是目前用于輕型車輛和材料處理車輛的領(lǐng)先技術(shù)，并且在較小程度上用于固定和其它應(yīng)用。PEMFC燃料電池有時也稱為聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（也稱為PEMFC）。
氫燃料在陽極處被處理，其中電子與鉑基催化劑的表面上的質(zhì)子分離。質(zhì)子通過膜到達電池的陰極側(cè)，同時電子在外部電路中行進，產(chǎn)生電池的電輸出。在陰極側(cè)，另一個貴金屬電極將質(zhì)子和電子與氧氣結(jié)合以產(chǎn)生水，其作為唯一的廢物排出;氧可以以純化形式提供，或者在電極處直接從空氣中提取。
在升高的溫度下操作的PEMFC的變體被稱為高溫PEMFC（HTPEMFC）。通過將電解質(zhì)從水基改變?yōu)榛诘V物酸的系統(tǒng)，HTPEMFC可以在高達200攝氏度下操作。這克服了關(guān)于燃料純度的一些當前限制，其中HTPEMFC能夠處理含有少量一氧化碳（CO）的重整產(chǎn)物。還可以通過消除加濕器來簡化設(shè)備的平衡。
HTPEMFCs不優(yōu)于低溫PEMFC;兩種技術(shù)都在其優(yōu)勢所在的地方找到了利基。下表總結(jié)了兩種PEMFC變量之間的差異：
DMFC
直接甲醇燃料電池（DMFC）是一套相對較新的燃料電池技術(shù);它是在20世紀90年代由美國的幾個機構(gòu)的研究人員發(fā)明和開發(fā)的，包括NASA和噴氣推進實驗室。它類似于PEM電池，因為它使用聚合物膜作為電解質(zhì)。然而，DMFC陽極上的鉑-釕催化劑能夠從液體甲醇中吸收氫，消除了對燃料重整器的需要。因此純甲醇可以用作燃料，因此名稱。
甲醇作為燃料提供了幾個優(yōu)點。它是便宜的，但具有相對高的能量密度，并且可以容易地運輸和儲存。其可以從可以保持充滿的儲液器或者在可以在使用時快速更換的盒中供應(yīng)到燃料電池單元。
DMFC在60℃至130℃的溫度范圍內(nèi)工作，并且傾向于用于具有適度功率要求的應(yīng)用，例如移動電子設(shè)備或充電器和便攜式電源組。在各個國家中看到商業(yè)牽引的DMFC的一個特定應(yīng)用是用于材料搬運車輛的DMFC動力單元的使用。許多這些單元已經(jīng)銷售到商業(yè)倉庫，其中叉車通常用電池組供電。通過切換到燃料電池，倉庫可以在幾分鐘內(nèi)為其卡車加油，與為電池充電所需的時間相比。燃料電池還消除了對倉庫內(nèi)的電池充電基礎(chǔ)設(shè)施的需要，從而使得更多的占地面積可用于其他用途。
SOFC
固體氧化物燃料電池在非常高的溫度下工作，所有燃料電池類型中的最高溫度在大約800℃至1000℃。在將燃料轉(zhuǎn)化為電能時，它們的效率可以超過60％;如果他們產(chǎn)生的熱也被利用;它們將燃料轉(zhuǎn)化為能量的總效率可以超過80％。
SOFC使用固體陶瓷電解質(zhì)，例如用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，而不是液體或膜。它們的高工作溫度意味著燃料可以在燃料電池本身內(nèi)重整，消除了對外部重整的需要，并允許單元與各種烴燃料一起使用。與其它類型的燃料電池相比，它們還相對耐燃料中的少量硫，因此可以與煤氣一起使用。
高操作溫度的另一個優(yōu)點是改善了反應(yīng)動力學，消除了對金屬催化劑的需要。然而，高溫存在一些缺點：這些電池需要更長的啟動和達到操作溫度，它們必須由堅固的耐熱材料構(gòu)造，并且它們必須被屏蔽以防止熱損失。
SOFC有三種不同的SOFC幾何形狀：平面，共面和微管。在平面設(shè)計中，部件被組裝成平坦堆疊，其中空氣和氫傳統(tǒng)上通過內(nèi)置于陽極和陰極中的通道流過單元。在管狀設(shè)計中，空氣被供應(yīng)到延長的固體氧化物管（其在一端密封）的內(nèi)部，同時燃料圍繞管的外部流動。管本身形成陰極，并且電池部件圍繞管構(gòu)造成層。
SOFC廣泛地用于大型和小型固定發(fā)電：平面型發(fā)電應(yīng)用于例如BloomEnergy的100千瓦離網(wǎng)發(fā)電機和具有幾千瓦輸出的SOFC，正在測試用于較小的熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用，例如家用組合熱和功率（CHP）。輸出功率范圍內(nèi)的微管狀SOFC也正在為小型便攜式充電器開發(fā)。
AFC
堿性燃料電池（AFC）是將要開發(fā)的第一種燃料電池技術(shù)之一，并且最初由NASA用于空間計劃中以在航天器上產(chǎn)生電和水。在整個計劃期間，美國國家航空航天局繼續(xù)使用美國宇航局航天飛機，同時還有少量商業(yè)應(yīng)用。
AFCs在水中使用堿性電解質(zhì)如氫氧化鉀，并且通常用純氫燃料。第一AFC在100℃和250℃之間操作，但是典型的操作溫度現(xiàn)在約70℃。作為低操作溫度的結(jié)果，不需要在系統(tǒng)中使用鉑催化劑，而是可以使用各種非貴金屬作為催化劑以加速在陽極和陰極處發(fā)生的反應(yīng)。鎳是AFC單元中最常用的催化劑。
由于化學反應(yīng)發(fā)生的速率，這些電池提供相對高的燃料對電轉(zhuǎn)化效率，在一些應(yīng)用中高達60％。
MCFC
熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）使用懸浮在多孔陶瓷基體中的熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)。通常使用的鹽包括碳酸鋰，碳酸鉀和碳酸鈉。
它們在高溫，約650℃下操作，并且具有與此相關(guān)的幾個優(yōu)點。首先，高操作溫度顯著提高反應(yīng)動力學，因此不需要用貴金屬催化劑提高這些。較高的溫度還使得電池比較低溫度的系統(tǒng)不容易發(fā)生一氧化碳中毒。因此，MCFC系統(tǒng)可以在各種不同的燃料（包括煤衍生的燃料氣體，甲烷或天然氣）上操作，消除了對外部重整器的需要。
與MCFC單元相關(guān)的缺點源于使用液體電解質(zhì)而不是固體，并且需要在陰極處注入二氧化碳，因為碳酸根離子在陽極發(fā)生的反應(yīng)中被消耗。還存在高溫腐蝕和電解質(zhì)的腐蝕性質(zhì)的一些問題，但是現(xiàn)在可以控制這些問題以實現(xiàn)實際的壽命。
MCFC用于大型固定發(fā)電。大多數(shù)燃料電池發(fā)電廠的兆瓦容量使用MCFC，大型熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）和聯(lián)合冷卻和電力（CCP）工廠。這些燃料電池可以以高達60％的燃料電轉(zhuǎn)化效率工作，并且在還利用過程熱的CHP或CCP應(yīng)用中，整體效率可以超過80％。
PAFC
磷酸燃料電池（PAFC）由陽極和陰極組成，陽極和陰極由在碳上的精細分散的鉑催化劑和保持磷酸電解質(zhì)的碳化硅結(jié)構(gòu)制成。它們相當耐一氧化碳中毒，但在生產(chǎn)電力方面往往比其他燃料電池類型具有更低的效率。然而，這些電池在約180℃的適度高溫下操作，并且如果該過程熱用于熱電聯(lián)產(chǎn)，則總效率可以超過80％。
這種類型的燃料電池用于具有100kW至400kW范圍的輸出的固定式發(fā)電機中，以為世界上的許多商業(yè)場所提供動力，并且它們也在大型車輛（例如公共汽車）中得到應(yīng)用。在2001年之前出售的大多數(shù)燃料電池單元使用PAFC技術(shù)。
