科普贴：氢燃料电池工作原理及应用范围，mcfc

编者：这是国内为数不多的全面、客观的燃料电池综述，系统地介绍了燃料电池的相关信息。对汽车主机厂、发电设备制造商、航空航天、贸易公司、投资机构等都有非常重要的参考价值。　引子　2019年1月7日，特斯拉（Tesla Inc）上海超级工厂（Shanghai Gigafactory）破土动工。亿万富豪马斯克（Elon Musk）笑容满面。　特斯拉官网称，上海超级工厂将为中国市场生产Model 3电动车和未来的新车型。工厂建成后，计划在初始阶段每周生产约3000辆Model 3电动车，在完全投入运营后年产量将增加至50万辆纯电动整车。　美国“石英”网站7日称，特斯拉宣布上海工厂动工的当天，中美贸易磋商也拉开帷幕。马斯克2017年年底就有在上海建厂计划，中美贸易战使特斯拉加快这一计划。路透社称，尽管当前中美贸易战仍然十分激烈，这座超级工厂依然将是中国第一家外商独资汽车厂，反映出中国全面转向开放汽车市场。　可惜，特斯拉目前在产的车型是搭载松下的钴酸锂电池的纯电动车，而没有采用炙手可热的燃料电池（Fuel cell）。　今天，我们说的燃料电池，与特斯拉无关。　1　把燃料电池（Fuel cell）归于电池产品似乎有些不太妥当，更通俗地描述这是一种发电装置。是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。　它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。　由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故没有噪声污染；排放出的有害气体极少，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。　采用零碳燃料和零碳发电正是当前能源科技发展的趋势。从能源结构看，燃煤、石油、天然气、氢气，它们的碳氢比从4：1降到2：1再到1：4，氢气是零碳；从动力机械的角度看，从煤蒸汽到柴油、燃气轮机，风电光伏等，清洁高效是可再生能源发展方向。　发展氢能燃料电池成为发达国家重要的战略选择。　日本从国家战略层面致力于实现氢能社会。日本政府提出，该国将成为全球第一个实现氢能社会的国家。　欧盟将氢能作为能源安全和能源转型的重要保障。　美国虽然经过了布什、奥巴马，特朗普三个阶段，但始终把氢能源作为能源战略的重要组成部分。　燃料电池汽车是中国新能源发展亟待补上的短板。　目前我国纯电动车虽然快速普及，但是基本上还只是在城市内部运行。对于量大面广的远程公交、城际物流和重载卡车等，行驶里程、充电时间和能量密度都成为显著的短板，需要尽快推动燃料电池汽车的商业化。　具体来看，虽然深圳，上海，杭州这些城市已经逐步的把公交车换成了纯电动汽车，但是上述城市和附近城市距离有一两百公里，是市内公交行驶里程的5倍。所以城市快递，物流货运，以及中、重卡车城市间的货运交通，还有特殊用途、高端用途的乘用车都可以选用燃料电池汽车。　2　言归正传，我们接下来将详细介绍燃料电池的原理，发展历程，电池种类和实际应用情况。　燃料电池是一种主要通过燃料与氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能的发电装置。　这种发电装置最常见的燃料为氢，其他燃料可来源于任何能分解出氢气的碳氢化合物，例如天然气、醇、和甲烷等。　燃料电池有别于原电池，优点在于透过稳定供应氧和燃料，即可持续不间断的提供稳定电力，直至燃料耗尽。它不像一般非充电电池一样用完就丢弃，也不像充电电池一样，用完须继续充电，燃料电池透过电池堆串连后，甚至可成为发电量百万瓦（MW）级的发电厂。　首个燃料电池是1838年发明的，而燃料电池的首次应用是在美国国家航空航天局1960年代的太空任务当中，为探测器、人造卫星和太空舱提供电力。自此以后，燃料电池就开始被广泛使用在工业、住宅、交通等方面，并在偏远地区和无人区，用作主要供电或备用供电设施。　燃料电池也可为燃料电池车提供动力，其应用领域包括铲车，小型乘用车，公共汽车，船艇，电动单车和潜水器等。　燃料电池的种类很多，但它们结构大致相同。　燃料电池都包括阳极，阴极和电解质，其允许带正电的氢离子（质子）在燃料电池的两极之间移动。在阳极处，催化剂使燃料发生氧化反应，产生质子（带正电的氢离子）和电子。在氧化反应发生之后，质子通过电解质从阳极移动到阴极。同时，电子通过外部电路从阳极移动到阴极，产生直流电。在阴极位置处，另一种催化剂使氢离子，电子和氧发生反应，形成水。　燃料电池根据它们使用的电解质类型和反应发生时间的差异进行分类。　例如，质子交换膜燃料电池（PEM燃料电池或PEMFC）的启动时间为1秒，固体氧化物燃料电池（SOFC）为10分钟。一个相关的技术是液流电池，可以通过再充电而实现燃料的再生。单个燃料电池产生相对较小的电势，约为0.7伏，因此电池被“堆叠”或串联放置，以产生足够的电压以满足应用的要求。除了产生电力，燃料电池还会产生水，热，并且根据燃料种类的不同，产生极少量的二氧化氮和其他排放物。燃料电池的能效通常在40-60％之间，但是，如果在热电联产方案中捕获废热，则可以获得高达85％的效率。　燃料电池的市场正在不断增长，2013年派克研究公司（Pike Research）曾预测，固定式燃料电池市场的规模到2020年将达到50 GW。　第一次提出氢燃料电池是在1838年。在德国物理学家尚班（Christian Friedrich Sch?nbein）1838年12月的一封信中（后发表于1839年1月版的伦敦和爱丁堡哲学杂志和科学期刊The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science），介绍了他发明的第一个简易原燃料电池，在他的信中，讨论了溶解在水中的氢和氧发生反应，并观察到所产生的电流。　威尔士物理学家和大律师葛洛夫（William Robert Grove）于1838年12月14日也撰写了他的第一份早期的燃料电池研究报告，发表于同一期刊的1839年2月版上。他使用了铁板，铜和瓷板的组合，以及硫酸铜和稀酸的溶液。1842年，葛洛夫在同一期刊上画出了他的燃料电池设计草图。他制作的这种燃料电池所使用的材料，类似于今天的磷酸燃料电池。　传统化学电池和燃料电池的对比　1939年，英国工程师Francis Thomas Bacon成功研制出5千瓦级固定式燃料电池。　1955年，通用电气公司（GE）的化学家W. Thomas Grubb进一步改进了原始燃料电池设计，使用磺化聚苯乙烯离子交换膜作为电解质。　1958年，也即3年后，另一位GE化学家Leonard Niedrach设计出一种将金属铂沉积在交换膜上的方法，该膜可用作必需的氢氧化和氧还原反应的催化剂。　（这种GE工程师开发的燃料电池后来被称为“Grubb-Niedrach燃料电池”。GE后来与NASA和McDonnell Aircraft合作开发这项技术，并在Gemini项目中使用。这是燃料电池的首次用于商业用途。）　1959年，由Harry Ihrig领导的一个团队为Allis-Chalmers制造了一台15千瓦的燃料电池拖拉机，并在美国各州的展会上进行了巡回展示。该系统使用氢氧化钾作为电解质并使用压缩氢气和氧气作为反应物。1959年的晚些时候，Francis Thomas Bacon和他的同事证演示了一台实用的5千瓦机组能够为焊机提供动力。　1960年代，Pratt 和Whitney批准了Francis Thomas Bacon的美国专利可用于美国太空计划，以提供电力和饮用水（氢气和氧气可从载人飞船舱中随时获得）。　1991年，第一个氢燃料电池汽车由Roger Billings研发成功。　UTC Power是第一家制造并商业化供应大型固定式燃料电池系统的公司，该系统被用作医院，大学和大型办公楼的热电联产发电装置。　为表彰燃料电池行业和美国在燃料电池发展中的作用，美国参议院于2015年10月8日通过了S. RES 217决议，并宣布每年的10月8日为美国的国家氢能源和燃料电池纪念日，之所以选择该日期作为纪念日，是考虑到氢的原子质量为1.008。　3　燃料电池有多种类型，但是它们都有相同的工作模式。　它们主要由三个相邻区段组成：阳极、电解质（液）和阴极。两个化学反应发生在三个不同区段的界面之间。两种反应的净结果是燃料的消耗、水或二氧化碳的产生及电流的产生，而生成的电流可以直接用于电力设备，即通常所说的负载。　在阳极上，催化剂将燃料（通常是氢气）氧化，使燃料变成一个正电荷的氢离子和一个负电荷的电子。电解液经专门设计，使得离子可以通过，而电子则无法通过。被释放的自由电子沿着一条导线移动，因而产生电流。而氢离子穿过电解液前往阴极。一旦达到阴极，离子与电子重新结合，两者与第三种化学物质（通常为氧气）一起反应，产生水或二氧化碳。　燃料电池的设计特点包括：　l电解质（液）物质，通常用于定义燃料电池的类型，它并且可以由许多物质制成，如氢氧化钾，碳酸盐和磷酸。　l使用的燃料，最常见的燃料是氢。　l阳极催化剂，通常是细的铂粉，用于将燃料分解成电子和离子。　l阴极催化剂，通常是镍，它将离子转化为废弃物，水是最常见的废物类型。　l用于抗氧化的气体扩散层。　典型的燃料电池，在满额定负载下产生0.6 V至0.7 V的电压。 由于以下几个因素，电压将随着电流的增加而降低：　l电池激活损（即过电位，电池的过电位随着电流密度升高而提高。）　l电阻损（由于电池组件和互连装置的电阻引起的电压降）　l物质输送损（高负荷下催化剂位置处的反应物快速耗尽，导致电压快速下降）。　为了提供应用所需的能量，燃料电池可以串联组合，以产生更高的电压，并且通过并联以提供更高的电流。这种设计称为燃料电池堆。也可以通过增加电池的表面积，使每个电池能输出更高的电流。在电池堆内，化学反应的气体必须均匀地分配在每个电池上，以使每个电池的功率输出最大化。　现阶段常见的燃料电池类型　3.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）　在典型的氢-氧质子交换膜燃料电池设计中，质子传导聚合物膜（通常是全氟磺酸）含有分隔阳极侧和阴极侧的电解质溶液。在1970年代早期，质子交换机制尚未被充分理解之前，被称为“固体聚合物电解质燃料电池”（SPEFC）。　在阳极侧，氢扩散到阳极催化剂处，在那里它随后分解成质子和电子。这些质子经常与氧化剂反应，使它们成为通常被称为多促质子膜的物质。质子通过膜传导到阴极，但电子被强制在外部电路（供电）中传导，原因是因为膜是电绝缘的。在阴极催化剂处，氧分子与电子（已经外部电路传导）和质子反应生成水。　除了这种纯氢型之外，还有用碳氢化合物燃料的燃料电池，包括柴油，甲醇（参见直接甲醇燃料电池和间接甲醇燃料电池）和化学氢化物。具有这些类型燃料的燃料电池，其生成的废物是二氧化碳和水。当需要使用氢气时，来自天然气的甲烷与蒸汽结合时，在被称为蒸汽甲烷重组的过程中释放出二氧化碳，并产生氢气。这可在燃料电池之外的位置进行，这也使氢燃料电池在室内使用成为可能，例如在叉车中使用燃料电池。　PEMFC的不同组件包括：双极板，催化剂，电解质膜，和必要的辅助硬件，如集电器和垫圈。用于燃料电池不同部分的材料，因电池类型而异。双极板可以由不同类型的材料制成，例如金属，涂层金属，石墨，柔性石墨，C-C复合材料，碳-聚合物复合材料等。电解质膜组件（MEA）被称为PEMFC的心脏，并且通常由夹在两个涂有催化剂的碳纸之间的质子交换膜制成。铂和/或类似类型的贵金属，通常用作PEMFC的催化剂。电解质可以是聚合物膜。　质子交换膜燃料电池（PEMFC）设计存在的问题　　成本　2013年，美国能源部估计，对于80千瓦汽车的燃料电池系统，假设每年批量生产10万辆燃料电池汽车，电池成本约为每千瓦67美元，假设每年可生产50万辆燃料电池汽车，电池成约为本每千瓦55美元。许多公司正在研究以各种不同方式降低电池成本的技术，包括减少每个单元电池所需的铂金量。巴拉德动力系统公司（Ballard Power Systems）已经试验了一种用碳丝增强的催化剂，它可以在铂的使用量下减少30％（1毫克/厘米2到0.7毫克/厘米2），且不会降低性能。墨尔本莫纳什大学（Monash University, Melbourne）使用PEDOT作为阴极材料。　2011年发表的一项研究报告，记录了第一种使用相对便宜的掺杂碳纳米管的非金属电催化剂，其成本约为铂的1％，且具有相同或更高的性能。最近发表的一篇文章展示了当使用碳纳米管作为铂的碳底物时环境负担的变化情况。　水和空气管理（在PEMFC中）　在这种类型的燃料电池中，膜必须是水合的，要求电化学反应生成的水同步蒸发。如果水蒸发太快，膜会干燥，质子通过膜的阻力增加，最终会导致膜的破裂，产生气体“短路”，氢气和氧气直接结合，产生的热量会损坏燃料电池。如果水蒸发得太慢，电极会被淹没，阻止反应物到达催化剂位置并停止反应。正在开发中的管理燃料电池中水的方法，例如电渗透驱动泵，专注于流量控制。正如在内燃机中一样，反应物和氧气之间的稳定比率，对于保持燃料电池有效运行是必要的。　温度管理　必须在整个电池中保持相同的温度，以防止通过热负荷破坏电池。这尤其具有挑战性，因为2H2 + O2→2H2O反应是高度放热的，因此在燃料电池内产生大量的热量。　某些类型电池的耐用性，使用寿命和特殊要求　固定式燃料电池应用通常需要在-35°C至40°C（-31°F至104°F）的温度下运行40,000小时以上，而汽车燃料电池需要5000小时的使用寿命（相当于在极端温度下240,000公里（150,000英里））。目前的使用寿命为2,500小时（约75,000英里）。汽车发动机还必须能够在-30°C（-22°F）的温度下可靠启动，并具有高的功率-体积比（通常为每升2.5 kW）。　某些燃料电池的（非PEDOT）阴极，对一氧化碳的耐受性有限。　　3.2 磷酸燃料电池（PAFC）　磷酸燃料电池（PAFC）最初由G.V.Elmore和H.A.Tanner于1961年设计和引入。　在这些电池中，磷酸用作非导电电解质，以使带正电荷的氢离子从阳极传导到阴极。这些电池通常在150至200℃的温度下工作。如果没有散热和正确使用热量，这种高温将导致热量和能量损失。这种热量可用于为空调系统或任何其他热能消耗系统产生蒸汽。　在热电联产机组中使用这种热量，可以将磷酸燃料电池的效率从40-50％提高到约80％。磷酸是PAFC中使用的电解质，是一种非导电液体酸，它迫使电子通过外部电路从阳极传播到阴极。由于阳极上的氢离子产生率很小，因此使用铂作为催化剂来提高该电离速率。这些电池的主要缺点是使用酸性电解质，这会增加暴露于磷酸中组分的腐蚀或氧化。　3.3 固体酸燃料电池（SAFC）　固体酸燃料电池（SAFC）的特征在于使用固体酸材料作为电解质。在低温下，固体酸具有与大多数盐类似的有序分子结构。在稍高一点的温度下（CsHSO4在140到150℃之间），一些固体酸发生相变，变成高度无序的“超质子”结构，这使电导率增加了几个数量级。 第一个概念验证SAFC，是在2000年使用硫酸氢铯（CsHSO4）开发的。目前的SAFC系统使用磷酸二氢铯（CsH2PO4），并且已经证明寿命达数千小时。　3.4 碱性燃料电池（AFC）　1959年由Francis Thomas Bacon设计并公布了碱性燃料电池（氢氧燃料电池），它在阿波罗太空计划中被用作电能的主要来源。　电池由两个多孔碳电极组成，所述两个多孔碳电极浸渍有合适的催化剂，例如Pt，Ag，CoO等。两个电极之间的空间填充有用作电解质的浓KOH或NaOH溶液。通过多孔碳电极将H2气体和O2气体导入电解质中。因此，整个反应涉及氢气和氧气的反应以形成水。电池持续运行，直到反应物的供应被耗尽。这种类型的电池可在343 K至413 K的温度范围内有效工作，并提供约0.9 V的电压。AAEMFC是一种使用固体聚合物电解质代替氢氧化钾（KOH）的AFC，它优于含水的AFC。　3.5 高温燃料电池　3.5.1 固体氧化物燃料电池（SOFC）　固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体材料，最常见的是使用被称为氧化钇稳定氧化锆（YSZ）的陶瓷材料作为电解质。因为SOFC完全由固体材料制成，所以它们不限于其他类型的燃料电池的平面结构，并且通常设计为管状。它们需要高工作温度（800-1000°C），并且可以使用各种燃料，包括天然气。　SOFC是非常独特的，因为在工作中，带负电的氧离子从阴极（燃料电池的正极）移动到阳极（燃料电池的负极）；而不同于所有其他类型的燃料电池：带正电的氢离子从阳极移动到阴极。氧气通过阴极进入，在那里它吸收电子以产生氧离子，然后氧离子穿过电解质以与阳极处的氢气反应，阳极反应产生电和水作为副产物。当然，也可能会产生副产品二氧化碳，这取决于燃料种类，但总体来说SOFC系统的碳排放量低于化石燃料燃烧的碳排放量。　SOFC系统的化学反应可表示如下：　阳极反应： 2H2+ 2O2?→ 2H2O + 4e?　阴极反应： O2+ 4e?→ 2O2?　整体反应： 2H2+ O2→ 2H2O　SOFC系统可以使用纯氢气以外的燃料。但是，由于氢是上述反应所必需的，所选择的燃料必须含有氢原子。为使燃料电池运行，燃料必须转化为纯氢。 SOFC能够在内部重整轻质烃类，如甲烷（天然气），丙烷和丁烷。　不过，这些类型的燃料电池尚处于发展的早期阶段。　由于SOFC系统比较的高工作温度，所以SOFC系统的商业应用也存在很多挑战。一方面是要考虑碳粉积聚在阳极上的可能性，这减缓了内部重整过程。宾夕法尼亚大学解决这一“碳焦化”问题的研究表明，使用铜基金属陶瓷（陶瓷和金属制成的耐热材料）可以减少焦化和性能损失。　此外还有一个明显的缺点就是启动时间慢，这使SOFC对移动类的场景价值不太大。　尽管存在这样那样的不少缺点，但在成本上SOFC有着明显的优势（即虽然大幅提高了操作温度，但规避了对铂等贵金属催化剂的需求）。此外，来自SOFC系统的废热可以被捕获并重复使用，从而将理论总效率提高到80％-85％。　操作温度高的主要原因，归因于YSZ电解质的物理性质。随着温度的降低，YSZ的离子电导率也随之降低。因此，为了获得燃料电池的最佳性能，需要高的操作温度。　根据英国SOFC燃料电池制造商Ceres Power的网站消息，它开发了一种将其SOFC系统的工作温度降低到500-600℃的方法。他们用CGO（氧化铈钆）电解质取代了常用的YSZ电解质。较低的工作温度允许他们使用不锈钢代替陶瓷作为电池基板，这进一步降低了系统的成本和启动时间。　3.5.2 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC,Molten carbonate fuel cell）　MCFC系统同样也需要较高的工作温度，约650℃（1,200°F），与SOFC类似。　MCFCs使用碳酸锂钾盐作为电解质，这种盐在高温下液化，允许电池内的电荷移动-在这种情况下，碳酸根为负离子。　与SOFC类似，MCFC能够将化石燃料转化为阳极中的富氢气体，从而无需在外部供给氢气。重整过程中会产生二氧化碳排放。MCFC兼容燃料包括天然气，沼气和煤炭产生的气体。气体中的氢与来自电解质的碳酸根离子反应产生水，二氧化碳，电子和少量其他化学物质。电子通过外部电路传导，产生电流并返回阴极。在阴极位置，来自空气的氧气和来自阳极再循环的二氧化碳与电子反应，形成碳酸根离子，补充电解质，完成回路。　MCFC系统的化学反应可表示如下：　阳极反应：CO32- + H2→H2O + CO2 + 2e-　阴极反应：CO2 +?O2+ 2e-→CO32-　总燃料电池反应：H2 +?O2→H2O　与SOFC一样，MCFC的缺点包括启动时间慢，因为它们的工作温度很高。这使得MCFC系统不适合移动应用，并且该技术最可能用于固定燃料电池。　MCFC技术的主要问题是电池寿命短，高温和碳酸盐电解质导致阳极和阴极的腐蚀。这些因素加速了MCFC组分的降解，降低了耐久性和电池寿命。研究人员正在通过研究组件用耐腐蚀材料，设计可不降低性能且延长电池寿命的燃料电池。　与其他燃料电池技术相比，MCFC也具有明显的有点，包括：对杂质的抵抗力，及不易于“碳焦化”，这意味着MCFC不会形成阳极上的碳积聚（碳积聚会减慢内部燃料重整过程，并导致电池性能降低）。　因此，MCFC系统可兼容富含碳的燃料如煤制成的气体。美国能源部声称，假设该系统可以抵抗因将煤转化为氢气而产生的硫和颗粒等杂质的话，煤炭本身甚至可能成为未来的清洁能源燃料。 MCFC也具有相对高的效率，可以达到50％的燃料电效率，远高于磷酸燃料电池设备的37-42％的效率。当燃料电池与涡轮机匹配时，效率可高达65％，如果热量被捕获并用于热电联产（CHP）系统，则效率可高达85％。　FuelCell Energy是一家位于康涅狄格州的燃料电池制造商，开发和销售MCFC燃料电池。该公司表示，他们的MCFC产品范围包括从300 kW到2.8 MW的系统，电效率可达到47％，并且可以利用CHP技术获得更高的整体效率。其中一款产品DFC-ERG已与燃气轮机相结合，据该公司称，其燃料电效率可达到65％。　　3.6 蓄电燃料电池　蓄电燃料电池是类似于传统蓄电池，可通过电力输入进行充电。它的特点是，输入的能量除了常见的交流电外，还可以通过输入氢（和氧）作为燃料发生化学反应，交替对电池进行化学充电。　　4　燃料电池的应用范围　4.1 电力　固定式燃料电池用于商业，工业和住宅的主要（或备用）发电设施。燃料电池非常适合用作偏远位置的独立动力源，例如航天器，偏远地区的气象站，大型公园，通信中心，乡村地区（包括研究站），以及某些军事应用。　使用氢气燃料的燃料电池系统可以做得紧凑且重量轻，并且没有主要的活动部件。由于燃料电池没有活动部件且不涉及燃烧，因此在理想条件下，它们可以实现高达99.9999％的可靠性。这相当于六年内不到一分钟的停机时间。　由于燃料电池电解槽系统本身并不存储燃料，而是依靠外部存储装置，因此它们可以成功应用于大规模储能，乡村地区就是一个例子。有许多不同类型的固定式燃料电池，虽然效率各不相同，但大多数能效率在40％到60％之间。然而，当燃料电池的废热用于加热热电联产系统中的建筑物时，这种效率可以提高到85％。　这个程度的效率甚至比传统的煤电厂效率更高，传统煤电厂的能源效率只有三分之一左右。假设大规模生产，燃料电池在热电联产系统中使用时可节省20-40％的能源成本。燃料电池也比传统发电更清洁；与传统燃烧石化燃料的发电系统产生的25磅污染物相比，使用天然气作为氢源的燃料电池发电厂，每生产1000 kW·h就会产生不到1盎司的污染（除CO2外）。与传统的燃煤发电厂相比，燃料电池的氮氧化物排放量减少了97％。　在美国华盛顿州的斯图尔特岛上目前有一个试点项目已经开始运作。在那里，斯图尔特岛能源倡议项目建立了一个完整的闭环系统。（还有一个封闭的发电循环系统于2011年底在纽约州亨普斯特德揭幕。）　此外，燃料电池可与来自垃圾填埋场或废水处理厂的低质量天然气一起使用，以产生电力并降低甲烷排放。据说加利福尼亚州一座2.8兆瓦的燃料电池厂是同类型中最大的燃料电池厂。　4.2 热电联产　热电联产（CHP）燃料电池系统，包括微型热电联产（MicroCHP）系统，用于为家庭（见家庭燃料电池），办公楼和工厂生产电力和热能。　该系统产生恒定的电力（当没有消耗时将多余的电力卖回电网），同时从废热中产生热空气和水。因此，CHP系统有可能节省一次能源，因为它们可以利用通常被热能转换系统拒绝的废热。家用燃料电池的典型容量范围为1-3 kWel / 4-8 kWth。与吸收式制冷机相连的热电联产系统利用其余热进行制冷。来自燃料电池的废热可以在夏季直接转移到地面，提供进一步的冷却，而冬季的废热可以直接泵入建筑物。（明尼苏达大学拥有这类系统的专利权。）　热电联产系统可以达到85％的效率（40-60％的电力+余量作为热量）。磷酸燃料电池（PAFC）是全球现有CHP产品中最大的一部分，可提供接近90％的综合效率。熔融碳酸盐（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）也用于热电联产，电能效率约为60％。热电联产系统的缺点包括上升和下降速度缓慢，成本高，寿命短，此外需要有一个热水储存罐作为配套设施。　　4.3 燃料电池电动车（FCEV）　这是目前燃料电池被广泛看好的一个应用领域，其中又细分为不同的应用场景。　4.3.1 乘用车（Automobiles）　截至2017年，全球约有6500辆FCEV被出租或出售。　全球范围内已经推出三款燃料电池电动汽车用于商业租赁和销售，分别是：本田Clarity，丰田Mirai和现代ix35 FCEV。其他概念车型包括本田FCX Clarity和梅赛德斯-奔驰F-Cell。　截至2011年6月，测试用FCEV行驶里程已经超过4,800,000公里（3,000,000英里），加注燃料超过27,000次。燃料电池电动汽车在加注燃料之间的平均续航里程为314英里。它们可以在不到5分钟的时间内完成加注燃料的步骤。　美国能源部的燃料电池技术计划指出，截至2011年，燃料电池在25%功率下，实现了53-59％的效率，在100%功率下实现了42-53％的车辆效率，并且耐久性超过120,000千米（75,000英里），退化率低于10％。　在“不考虑经济和市场限制”的油井到车轮（Well-to-Wheels）的模拟分析中，通用汽车及其合作伙伴估计，与内燃机车相比，每英里行驶一次，使用天然气生产的压缩氢气运行的燃料电池电动汽车，可以少使用约40%的能源，温室气体排放量减少45％。2011年，来自能源部测试燃料电池汽车团队的首席工程师表示，燃料电池汽车潜在的吸引力是“燃料电池车是全功能车辆，它可不受范围或加油速度的限制，因此，它可以直接替代任何其他车辆。”例如，如果你驾驶一辆全功能SUV并将一艘船拉到山上，你可以用这项燃料电池技术做到这一点，但你却不能使用现有的仅限使用普通充电电池的车辆，因为使用普通充电电池的车辆更适合城市驾驶。　2015年，丰田以57,000美元的价格推出了第一款燃料电池车Mirai。现代汽车根据租赁协议推出了限量生产的现代ix35 FCEV。 2016年，本田开始租赁本田Clarity燃料电池。　　4.3.2 公共汽车（Bus）　截至2011年8月，全球共部署了约100辆燃料电池客车。大多数公交车由UTC Power，Toyota，Ballard，Hydrogenics和Proton Motor生产。到2011年，UTC公共汽车已累计行驶超过970,000公里（600,000英里）。　燃料电池公共汽车的燃油经济性比柴油公共汽车和天然气公交车高39-141％。　燃料电池公共汽车已部署在世界各地，包括加拿大Whistler；美国San Francisco；德国Hamburg；中国上海，英国London，和巴西S?o Paulo。　燃料电池巴士俱乐部是全球合作进行燃料电池公共汽车试验的一种努力。值得注意的项目包括：　l加利福尼亚州奥克兰和旧金山湾地区正在部署12辆燃料电池公共汽车。　l戴姆勒公司拥有36辆由巴拉德动力系统燃料电池提供动力的实验公交车，于2007年1月在11个城市完成了为期3年的成功试验。　l由加利福尼亚州SunLine Transit Agency运营的加利福尼亚州部署了一支配备UTC Power燃料电池的Thor公交车队。　l巴西首个氢燃料电池客车原型机已部署在圣保罗。该公共汽车在Caxias do Sul制造，氢燃料将在S?oBernardodo Campo从水中通过电解生产。该计划名为“？nibus Brasilei roa Hidrogênio”（巴西氢气公共汽车），包括三辆额外的公共汽车。　4.3.3 叉车（Forklifts）　燃料电池叉车是用于提升和运输材料的燃料电池驱动的工业叉车。2013年，美国有超过4000台燃料电池叉车用于物料搬运，其中500辆从美国能源部（2012）获得资金。叉车的全球市场交易量每年有100万台。　燃料电池叉车的使用公司包括Sysco Foods，FedEx Freight，GENCO（Wegmans，Coca-Cola，Kimberly Clark和Whole Foods）和H-E-B Grocers。欧洲推出了30台采用Hylift的燃料电池叉车示范车，并将结合法国和奥地利的其他项目，将HyLIFT-EUROPE扩展至200台。派克研究公司在2011年表示，到2020年，燃料电池动力叉车将成为氢燃料需求的最大驱动因素。　欧洲和美国的大多数公司都不使用石油动力叉车，而是使用电动叉车，因为这些车辆在室内工作，必须控制排放。燃料电池驱动叉车优于电池驱动叉车，它们可以用单个氢气罐工作上8小时，并且可以在3分钟内完成加氢。燃料电池驱动的叉车可用于冷藏仓库，因为它们的性能不会因较低的温度而降低。燃料电池单元通常为插装式设计。　4.3.4 摩托车和自行车（Motorcycles and bicycles）　2005年，一家英国氢动力燃料电池制造商Intelligent Energy（IE）生产出第一款名为ENV（排放中性车）的氢气运行摩托车。摩托车拥有足够的燃料运行4小时，在城市道路上可行驶约160公里（100英里），最高时速为80公里/小时（50英里/小时）。　2004年，本田开发了一款采用本田FC Stack的燃料电池摩托车。　使用氢燃料电池的摩托车和自行车的其他例子包括台湾公司APFCT的踏板车使用来自意大利Acta SpA的加油系统和带有IE燃料电池的Suzuki Burgman踏板车，接收欧盟2011年整车型式认可。铃木汽车公司和IE公司宣布成立一家合资企业，以加速零排放汽车的商业化。　　4.3.5 飞机（Airplanes）　2003年，世界上第一架由燃料电池完全驱动的螺旋桨驱动飞机试飞，燃料电池采用堆叠设计，使燃料电池与飞机的空气动力学表面融为一体。　该无人机（UAV）是一架使用了Horizon燃料电池驱动的飞行设备，于2007年创造了小型无人机飞行距离的记录。　波音公司整个欧洲区的研究人员和他们的行业合作伙伴于2008年2月对一架仅由燃料电池和轻型电池供电的载人飞机进行了飞行试验。这架燃料电池示范飞机，使用质子交换膜（PEM）燃料电池/锂离子电池混合系统为电动机提供动力，电动机直接与传统螺旋桨相连。　2009年，海军研究实验室（NRL）的Ion Tiger使用氢动力燃料电池，飞行了23小时17分钟。燃料电池一直在接受测试，并被认为可以在飞机上提供辅助动力，取代以前用于启动发动机和电力需求的石化燃料发电机，可以显著减少碳排放。　2016年，Raptor E1无人机使用比其可更换的锂离子电池更轻的燃料电池进行了成功的试飞。这次飞行在80米（260英尺）的高度持续了10分钟，尽管据报道燃料电池有足够的燃料可以飞行两个小时。燃料被加注在约100个固态的1平方厘米（0.16平方英寸）的胶囊中，相当于将燃料保存在未加压的容器内。胶囊理化性能稳定坚固，可在温度为50°C（122°F）的温度下运行。（该燃料电池来自Arcola Energy。）　　4.3.6 船艇（Boats）　世界上第一艘经过认证的燃料电池船HYDRA，位于德国莱比锡市，使用净输出功率为6.5 kW的AFC系统。冰岛承诺在2015年之前将其庞大的捕捞船队的辅助电力供应改为使用燃料电池，并逐步发展为为其船只提供主电力。阿姆斯特丹最近也推出了第一艘以燃料电池为动力的船，用于运送城市运河周围的人。　4.3.7 潜艇（Submarines）　U212A是由德国海军造船厂Howaldtswerke Deutsche Werft开发的非核能潜艇。他的动力系统由9个PEM燃料电池组成，每个燃料电池的功率在30千瓦至50千瓦之间。　因使用燃料电池，使得这艘潜艇有非常优秀的静默指标，并可保持下潜数周而不需要浮出水面，其潜伏能力相较其他潜艇具有更大的优势。一份海军报告提出了核动力及燃料电池混动的可能性，其中燃料电池在需要静音操作时使用，然后从核反应堆（和水）补充电池燃料。　4.4 便携式电源系统　便携式燃料电池系统通常被定义为为重量不足10千克，功率小于5千瓦。　小型燃料电池在这个领域的潜在市场规模非常大，每年潜在增长率高达40％，市场规模约为100亿美元，这导致大量研究都致力于便携式燃料电池的开发。　在这个市场中，已经确定区分为两个类别，第一种是微电池市场，功率在1-50 瓦范围内，用于小型电子设备。第二种是用于大规模发电的1-5千瓦范围的发电机（例如军用前哨，偏远地区的油田）。　微型电池主要目标市场是手机和笔记本电脑。　这主要归因于燃料电池系统提供的能量密度，远高于锂离子电池系统提供的能量密度。　对于锂离子电池传统电力系统包括充电器和电池本身。而对于燃料电池，电力系统将包括电池，必要的燃料和外围附件。　从整个电池系统考虑，燃料电池提供的能量密度530Wh / kg，而锂离子电池则为44 Wh / kg。　在现阶段，虽然燃料电池系统的单位重量能量密度具有明显的优势，但目前的生产成本并不适合终端用户。锂离子电池系统的费用通常约为每公斤1.20美元，而燃料电池系统每公斤的成本约为5美元，这也是目前无法大面积推广的主要原因之一。　（但是随着对手机的功率需求的增加，燃料电池可能会成为更大型供电系统的更具吸引力的选择。）　消费者经常要求在手机和电脑上工作更长时间的需求，促进了燃料电池开始向笔记本电脑和手机市场迈进。随着燃料电池的发展继续加速，价格将继续下跌。　目前在改进型的微型燃料电池方案种引入使用了碳纳米管。这一方案由Girishkumar等人展示，在电极表面上沉积纳米管显著提升了工作部位的表面积，从而增加了氧还原速率。燃料电池的大规模应用有着非常美好的前景。使用燃料电池的便携式电力系统可用于休闲领域（即房车，小木屋，船舶），工业部门（即用于偏远地区的电力，包括天然气/石油井，通信塔，安全，气象站），以及军事部门。　燃料电池最为突出的关键优势是每单位重量的发电量很高。虽然燃料电池现阶段价格可能很昂贵，但对于需要可靠能源的偏远地区，燃料电池可以保持很大的功率。这对于类似72小时的户外巡游，轻量化的比较优势还是相当客观的：燃料电池仅重15磅，而要获取相同能量，则需要29磅锂离子电池。　4.5 其他应用　l为基站或小区提供电力　l分布式发电　l应急电源系统是一种燃料电池系统，其中包括照明，发电机和其他装置，以在危机中或在常规电力系统发生故障时提供备用电源。它们可用于各种环境，从住宅到医院，科学实验室，数据中心　l电信设备和现代海军舰艇。　l不间断电源（UPS），提供应急电源，并且根据拓扑结构，当市电不可用时，通过从单独的电源供电，为连接的设备提供线路调节。与备用发电机不同，它可以提供瞬时电源中断的即时保护；　l基本负荷发电机组；　l太阳能及氢燃料电池水热系统；　l混合动力汽车，将燃料电池与内燃机或常规电池配对；　l笔记本电脑，适用于无法提供交流电充电的场合；　l用于小型电子设备的便携式充电底座（例如，为手机或PDA充电的带状夹）；　l智能手机，笔记本电脑和平板电脑；　l小型加热装置；　l食物保鲜，通过排出氧气并自动维持装运容器中的氧气消耗，来实现食品保鲜，例如新鲜鱼类的装运容器；　l酒驾测试仪，利用燃料电池产生的电压量，用于确定血液样品中酒精的浓度；　l一氧化碳检测器；电化学传感器。　4.6 加氢站　2013年，“纽约时报”报道，整个美国有“10个氢气站可供公众使用：一个位于哥伦比亚，南卡罗来纳州，八个位于南加州，另一个位于埃默里维尔”。　2016年（截止至12月），美国有31个可公开使用的加氢站，其中28个位于加利福尼亚州。　冰岛的一个公共加氢站于2003年至2007年间运营——为雷克雅未克的三辆公共汽车提供加氢服务。（该站用电解装置生产氢气。）　德国通过其公私合作伙伴关系Now GMBH，计划到2015年，将德国的14个站点扩展到50个。　截至2017年5月，日本共有91个加氢站。　截至2016年，挪威计划从2017年开始在主要城市之间建立氢气站网络。