1堿性燃料動力電池（AFC）

AFC采用35%-45%KOH或NaOH溶液作為電解質，工作溫度一般為23-70℃。其催化劑重要用貴金屬鉑、鈀、金、銀和過渡金屬鎳、鈷、錳等，但催化劑對反應物中含有的微量CO2很敏感。

AFC的特點：較低的價格和較高的效率（50-55%）。AFC屬于低溫燃料動力電池，低溫時也能保證啟動時間較短，可以用于交通工具。價格低廉、用途高效、技術成熟，在交通運輸領域，有廣闊的發展和應用前景。盡管AFC的研究已比較成熟，但AFC的電解質采使具有腐蝕性的液體，具有一定的危險性，而且容易造成環境污染。此外，假如要解決CO2毒化問題，使用循環電解液來吸收CO2等，就新增了燃料動力電池系統的復雜性。

4.2磷酸燃料動力電池（PAFC）

PAFC是迄今唯一接近商品化的電池，其反應原理如圖2所示。陽極反應為：H2→2H++2e-，陰極反應為：1/2O2+2H++2e-→H2O。顯然，其全反應為電解水的逆過程：H2+1/2O2→H2O。PAFC工藝的發展重要是在70年代后期開發出合適的碳黑和石墨電池零部件才取得重大突破。

與堿性氫氧化物燃料動力電池相比，PAFC的優點在于貴金屬催化劑用量相對明顯減少，還原劑的純度大大降低，CO含量可允許達5%；PAFC屬于低溫燃料動力電池，低溫下發電，具有良好的穩定性；人們日常生活用水可以直接利用余熱獲得的水；與高溫燃料動力電池相比，啟動時間明顯較短。缺點與AFC相同，必須用貴金屬電作催化劑；CO含量不能過高，否則電催化劑將會被毒化，失去催化活性；電解質為高濃度磷酸，具有很強的腐蝕性，影響電池系統使用壽命；因僅有40-50%的發電效率（低熱值），所以燃料要重整改質，新增了燃料動力電池系統的復雜性。

4.3質子交換膜燃料動力電池（PEMFC）

PEMFC一般用于小型發電裝置和用作車輛等交通運輸工具的動力。結構與PAFC差不多，都是由二層作為電極的催化層，中間有一層固態電解質（質子交換膜）同時起隔離層用途和外側作結構支撐與氣體擴散層用的碳紙組成，PEMFC工作原理如圖3。

PEMFC采用多孔氣體擴散電極，電解質為全氟磺酸型固體聚合物，電催化劑采用純鉑或碳載鉑，氫氣（H2）為燃料，氧氣或空氣為氧化劑。當PEMFC工作時，H2通過管道或導氣板到達陽極，經過陽極催化劑催化用途，將H2分解為帶正電的氫離子（H+）并釋放出帶負電的電子（e-）。H+穿過電解質到達陰極；電子通過外電路到達陰極，在這個過程中形成電流，通過連接電路可以向負載輸出電能。在電池另一端，O2或空氣通過管道或導氣板到達陰極，經過陰極催化劑催化用途，氧與氫離子及電子發生反應生成水。

PEMFC的發展在AFC、MCFC、SOFC之后，但發展迅速，屬于比能最高、溫度最低、應用最廣、啟動最快、壽命最長的第五代燃料動力電池。它具有優點：（1）效能高。PEMFC不存在燃燒過程，所以不受卡諾循環限制，目前該燃料動力電池的效率大約是內燃機的兩倍，其理論熱效率可達85%-90%，；（2）燃料多樣性。PEMFC不但可以純氫為燃料，而且也可以用重整氣為燃料；（3）模塊化。在結構上PEMFC具有模塊化的特點，根據不同動力的需求以搭積木的堆積形式組合安裝；（4）可靠性高。PEMFC電堆采用模塊化的設計方法，結構簡單、便于安裝、易于維護；（5）環境友好。PEMFC用純氫作為燃料時水是唯一的產物，零排放，無污染。此外，PEMFC還具有噪聲低，格結構部件均可回收利用等。

4.4熔融碳酸鹽電池（MCFC）

MCFC屬高溫燃料動力電池，其工作溫度在600～650℃。作為第二代燃料動力電池在近10余年來獲得了長足進展。MCFC被美國認為是下一世紀的燃煤電廠的光明未來。美國投巨資建造了一座2MW的MCFC廠。日本也在準備開發1MW的MCFC廠。MCFC的電解質采用碳酸鋰和碳酸鉀構成的共晶混合物，離子導體是碳酸根。單電池系統由一個陽極、一個陰極及電解質組成。氧和CO2陰極反應形成碳酸根，碳酸根通過熔鹽電解質擴散到陽極，與此同時碳酸根與氫反應將氫氧化，給出電子，進入外電路（圖4）。MCFC采用重整產物如氣態CO和H2的混合物作燃料。電極反應是：

陽極：H2+CO32-→H2O+CO2+2e-；CO+CO32-→2CO2+2e-(少量)；

遷移反應：CO+H2O→H2+CO2；

陰極：1/2O2+CO2+2e-→CO32-；

總反應：H2+1/2O2→H2O。

通過該化學反應方程式可知假如要出現2F的電量，陰極必須消耗1molCO2，而陽極則出現1molCO2。因此為保持電解質成分不變，要使CO2實現循環。

MCFC的優點：（1）較高的工作溫度。由于電極反應活化能較小，不論是氫的氧化還原，還是氧的還原，都不要高效催化劑，不用使用貴金屬，使成本降低；（2）余熱高。電池排放的余熱溫度高達400℃，可以回收利用，總效率以可達90%以上；（3）燃料氣體對CO含量要求降低，可以直接使用如煤制氣等燃料；（4）可以不用水冷卻，尤其適用于缺水的偏遠地區。缺點：（1）將陽極出現的CO2重新輸送到陰極，需新增CO2循環系統，新增了電池系統結構的復雜性；（2）高溫工作環境以及強的腐蝕性電解質對電池各種材料的耐腐蝕性要求嚴格，影響電池壽命；（3）電池邊緣的高溫濕密封技術難度大，特別是在遭受腐蝕嚴重的陽極區。

4.5固體氧化物燃料動力電池（SOFC）

SOFC是一種全固態發電系統，它是以固體氧化物為電解質在高溫環境下（約1000℃）工作，以確保其各部分元件有適當的離子和電子導電率。其剖面如圖5所示。氧離子(O2-)是陰極與電解質的界面電子將電荷轉移給氧分子以所出現。氧離子與陽極板表面的H2和CO結合分別出現H2O和CO2，并釋放電子連通電路。各電極反應為：陰極：1/2O2+2e-→O2-；陽極：H2+O2-→H2O+2e-；電池總反應：H2+1/2O2→H2O(CO+1/2O2→CO2)。

持續向SOFC的陽極一側通入氣體燃料，如氫氣（H2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）等，陽極表面呈多孔結構并且具有催化用途，利用陽極表面吸附燃料氣體，通過多孔結構擴散到陽極與電解質的界面。向陰極一側持續通入氧氣或空氣，陰極板結構與陽極相同，利用陰極表面的多孔結構吸附氧，并且通過催化用途，使得O2得到電子變為O2-，在化學勢的用途下，氧離子進入電解質，利用濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的界面，與燃料氣體發生反應，電子利用電壓差通過外電路回到陰極。