我们知道，除伏打电池外，所有化学能在转变成电能之前，几乎都要经过中间燃烧，先得到热能，再由热能转换成机械能驱动汽轮机发电，把机械能再转变成电能。由于通过这些中间环节，所以要损失许多能量，转变效率很低，一般的火力发电，消耗的燃料只有10％左右能转变成电力。而20世纪50年代诞生的燃料电池可以省掉中间燃烧等环节，直接让化学能变成电能。
简单地说，燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种将储存在燃料与氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的概念是1839年GRGrove提出的，至今已有大约160年的历史。
为了更好地了解燃料电池，我们有必要明白“燃料”和“电池”这两个概念。
氢能的应用前面我们谈到过，为了利用煤或石油这样的燃料来发电，必须先燃烧煤或石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽，蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。也就是说，我们是把燃料的化学能转变为热能，然后把热能转换为电能。在这种双转换的过程中，许多原来的化学能浪费掉了。然而燃料非常便宜，这种浪费也不妨碍我们生产大量的电力，因而无需昂贵的费用，也还有可能把化学能直接转换为电能，而无需先转换为热能。为此，我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成，其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应，电子不是被释出就是被吸收。一个电极上的电势比另一个电极上的大，因此，如果这两个电极用一根导线连接起来，电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极。这样的电子流就是电流，只要电池中进行化学反应，这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。在某些情况下，当一个电池用完了以后，人们迫使电流返回流入这个电池，电池内会反过来发生化学反应，因此，电池能够贮存化学能，并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池。在一个电池里，浪费的化学能要少得多，因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而，电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果试图使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力，那么，一天就要花费数十亿美元。
燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它是一种电池，但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行化学反应。这些燃料的化学能也通过一个步骤就变为电能，比通常通过两步方式的能量损失少得多。于是，可以为人类提供的电量就大大地增加了。
燃料电池实质上是根据控制氢弹爆炸的理论设计的，太空船的太阳能板所聚集的电磁和太阳能将会转换成电能，而电能会用来慢慢地将存放在燃料电池内的氢置换成燃料。燃料电池内也含了一小部分受控制量的可进行核分裂的物质，这些物质依序用来与氢核进行核反应。核反应在燃料电池内进行，在太空旅程中提供高能量并加速离子引擎来推进太空船。在最后的旅程阶段，燃料电池提供了燃料火箭动力所需的氢。这整个过程受控在强大的电磁下，它能提供能量并且避免过量的能量外泄导致反应炉核心熔毁。核反应的一项副产物——热能，则被燃料电池的外壁吸收并转换成供给电脑、维生系统和其他必要功用的电能。
燃料电池的结构和制造都比较简单。人们可以将含有氢的天然气等燃料从一根管道送进电池，将氧或氧化剂从另一根管道送进电池；天然气中的氢在有微孔的燃料电极上与氢氧化钾等碱性电解质进行氧化反应，生成带正电的离子和电子；电子通过电路进入氧化剂那边的微孔电极上，并在这个电极上与氧化剂及电解质进行还原反应，生成带负电的离子。这样，正负离子在电解质中结合，生成水蒸气并产生电能。因此只要不断将含有氢的燃料和氧化剂供给电池，并及时把电极在反应过程中产生的化合物（水）排出，就能通过燃料电池将燃料产生的化学能直接转换成电能，这一过程被称为电化学反应。
由于这种反应过程惟一的生成物是水，从而避免了火力发电站产生大量二氧化碳和二氧化硫等有害气体对环境的污染。也不像原子能发电站那样，必须处理带有放射性的核废料。
美国科学家最近研制出世界上最小的燃料电池，这种电池的直径只有3毫米，可以产生0.7伏的电压并能持续供电30个小时，这种燃料电池可以在不消耗电的情况下发电，它由4个部分组成。上一层是储水池，下层是一个装有金属氢化物的燃料堂，中间以一层薄膜隔开，在金属氢化物的燃料堂下方，还有一组电极。薄膜上还有许多小孔，使得储水池中的水分子可以以水蒸气的形式进入燃料堂，水分子进入燃料堂后，与金属氢化物发生化学反应并产生氢气。氢气随之会充满整个燃料堂，并向上冲击薄膜。阻止水流继续流入，然后氢气会在燃料堂下层的电极处发生化学反应，形成电流。
燃料电池简史
燃料电池历史可以追溯到19世纪。1839年英国法官和科学家威廉·格罗夫（William Robert Grove）所进行的电解实验，即使用电将水分解成氢和氧，后来被人们称为燃料电池。
从格罗夫第一次进行燃料电池的实验到现在，人们对燃料电池的研究已有160多年的历史。1889年，英国人Ludwig Mond和Charles Langer两位化学家试图用空气和工业煤气制造一个实用的能提供电能的装置，“燃料电池”一词也就随着他们的发明而诞生了。20世纪初，WHNernst和FHaber对碳的直接氧化式燃料电池进行了许多研究。20世纪中叶以来，燃料电池的研究得到迅速发展。20世纪50年代末，英国剑桥大学的培根（Bacon）教授用高压氢、氧气体演示了功率为5千瓦的燃料电池，工作温度为150℃。随后建造了一个6千瓦高压氢氧燃料电池的发电装置。进入60年代，由美国通用电器公司（GE）把该系统加以发展，成功地给阿波罗（Appollo）等登月飞船提供电力。除了用于航天工业，在地面实用燃料电池电站的研究中，几兆瓦级的磷酸燃料电池的发电装置已经研制成功，在日本东京湾附近已建成一套示范性装置。200多台燃料电池电站在世界各地运行。日本首相成为燃料电池轿车的第一位顾客；联邦快递公司用燃料电池汽车忙碌奔波于东京街头；燃料电池公共汽车在欧美十几个城市进行预商业化示范；全世界人通过互联网看到美国总统布什试用燃料电池手机；美国士兵配备着移动式燃料电池在伊拉克作战；德国的燃料电池潜艇在水下悄无声息地游弋。可见燃料电池已受到了普遍的关注，而且它在很多领域都发挥着较大的优势和作用。
燃料电池的特点
燃料电池非常复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统以及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。概括地说，燃料电池具有以下特点：
（1）能量转化效率高。它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率在30%～40%。
（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低。CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。
（3）燃料适用范围广。
（4）规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。
（5）负荷响应快，运行质量高。燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。
燃料电池原理
燃料电池分类
根据不同的标准，燃料电池大体可分为以下4类：
（1）根据燃料电池的运行机理的不同，分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。
（2）电解质主要有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。据此，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。在燃料电池中，磷酸燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以冷启动和快启动，可以用作移动电源，竞争力更强。
（3）按照燃料类型的不同，有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料。有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。
（4）按照燃料电池工作温度分，有低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200℃～750℃；高温型，温度高于750℃。
在常温下工作的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池（PEMFC），这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂。燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。不需要废热能量回收装置，体积较小，质量较轻。但催化剂铂（Pt）会与工作介质中的一氧化碳（CO）发生作用后产生“中毒”现象而失效，使燃料电池效率降低或完全损坏。而且铂（Pt）的价格很高，增加了燃料电池的成本。
另一类是在高温（600℃～1000℃）下工作的燃料电池，例如熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），这类燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大，质量重，只适合用于大功率的发电厂中。
综合起来看，最实用的燃料电池是氢或含富氢的气体燃料，但是在自然界是不能直接获得燃料电池氢的；通常是以石油燃料、甲醇、乙醇、沼气、天然气、石脑油或煤气为原料，经过重整、裂解等化学处理后来制取含富氢的气体燃料。氧化剂则采用氧气或空气，最常见的是用空气作为氧化剂。
