电子学/燃料电池
燃料电池是一种类似于电池的电化学装置，但与电池不同的是，它被设计为持续补充消耗的反应物；即它从外部燃料供应中产生电力，而不是像电池那样有限的内部能量储存能力。
典型的反应物是阳极侧的氢气和阴极侧的氧气。相比之下，传统的电池消耗固体反应物，一旦这些反应物耗尽，就必须丢弃、通过反向化学反应用电力充电，或者至少在理论上更换电极。在燃料电池中，反应物通常流入，反应产物流出，只要这些流动保持，就可以实现持续的长期运行。
燃料电池在一些应用中也具有吸引力，因为它们效率高、污染低。一些建议的应用包括
- 基荷发电厂，
- 应急备用电源，
- 离网储能，
- 便携式电子产品，以及
- 电动汽车。
一般来说，燃料电池有五种类型，其中两种是目前研究的重点。
PEM 燃料电池的缩写存在争议，可以是 质子交换膜 或 聚合物电解质膜，两者实际上都是很好的描述。在这种燃料电池中，氢气在膜表面被分解成质子，质子通过膜移动，电子则通过外部电路移动，并提供我们的能量。氢离子通过膜中夹带的水移动到另一侧，在那里它们与氧气结合形成水。不幸的是，虽然氢分子分解起来相对容易，但分解更强的氧分子则更加困难，这会导致显著的损失，从而导致燃料电池性能急剧下降。PEM 燃料电池是各种尺寸的车辆和其他移动应用的首选，包括手机，因为它体积小。但是，夹带水的膜对性能至关重要：水太多会导致膜淹没，水太少会导致膜干燥；在这两种情况下，功率输出都会下降；水管理是 PEM 燃料电池中一个非常困难的问题。此外，膜上的铂催化剂很容易被 CO 毒化。
人们提出了使用重整甲醇的 PEM 系统，例如戴姆勒克莱斯勒 Necar 5；然而，甲醇重整，即让它反应以获得氢气，是一个非常复杂的工艺，它还需要从反应产生的 CO 中进行提纯。由于一些 CO 不可避免地会到达膜，因此需要铂钌催化剂。其浓度不应超过百万分之十。
PEM 的一个子类别是 DMFC 或 直接甲醇燃料电池；在这里，甲醇没有经过重整，而是直接输入到燃料电池。人们不需要复杂的重整过程，而且甲醇的储存比氢气容易得多。但是，由于甲醇通过膜的渗透率很高，而且动态特性迟缓，因此效率很低。
PEM 的主要制造商是加拿大温哥华的巴拉德动力系统公司。PEM 的效率在 40-50% 的范围内。
固体氧化物燃料电池 或 SOFC 主要用于固定式应用（发电厂）。它们在非常高的温度下工作（有些在 1000ºC），其废气可以用来驱动二级燃气轮机来提高效率。在这些混合系统中，效率可以高达 70%。这一次，氧气通过高温下的固体氧化物转移到另一侧，与氢气发生反应。SOFC 具有很高的工作温度，因此可以（经过一些改进）使用天然气作为燃料，天然气将在燃料电池本身内反应生成氢气。SOFC 对毒化具有很强的抵抗力，实际上可以以 CO 作为燃料，而 CO 对于 PEM 来说是一种毒物。
由于 SOFC 由陶瓷材料制成，因此它们往往很脆；因此，它们不适合用于移动应用。此外，热膨胀要求在启动时进行均匀缓慢的加热过程，这会导致非常长的启动时间：通常需要 8 个小时。目前的研究方向是低温 SOFC（600ºC），这将使金属材料的使用成为可能，金属材料具有更好的机械性能和热导率。
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）也是高温的，但在 600ºC 范围内。它们的主要问题是腐蚀，以及需要操作高温液体而不是像 SOFC 那样操作固体。
磷酸燃料电池（PAFC）是一种成熟的技术，目前已投入商业应用。不幸的是，磷酸在低于 40ºC 时会凝固，这使得启动变得非常困难。它们已用于固定式应用，效率约为 40%，许多人认为它们在进一步发展方面没有太多潜力。
碱性燃料电池（AFC）是将人类送上月球的电池。它在阿波罗系列任务和航天飞机上使用，是一种非常好的燃料电池，但它会被 CO2 毒化。这意味着电池需要纯氧气，或者至少需要纯净的空气。由于这一过程相对昂贵，因此 AFC 的开发并不多。美国宇航局已决定在下一代航天飞机上转向 PEM。
燃料电池是电化学装置，因此不受热力学（卡诺）效率最大值的限制，而内燃机则受此限制。因此，它们在将化学能转换为电能方面可以具有非常高的效率。
在典型的氢氧聚合物电解质膜（PEM）燃料电池中，一个质子传导聚合物膜将阳极（“燃料”）侧和阴极侧隔开。每侧都有一根电极，通常是涂有铂催化剂的碳纸。
在阳极侧，氢气扩散到阳极催化剂上，在那里它分解成质子和电子。质子通过膜传导到阴极，但电子被迫在外部电路中流动（提供能量），因为膜是电子绝缘的。
在阴极催化剂上，氧气分子与电子（已通过外部电路流动）和质子反应生成水。
在这个例子中，唯一的废物是水蒸气。
此外，燃料电池可以用于家庭，在低电价的非高峰时段存储能量，并在高峰时段使用。甚至可以将一些能量卖回给电力公司，就像风力发电一样。高峰电力生产达到正常水平的两倍，这意味着非常昂贵的电厂容量是按照短时间使用的水平来设计的。此外，发电厂的效率在只有一个生产率时最高，而在非高峰时段效率会大幅下降。
第一个燃料电池是由英国科学家威廉·格罗夫爵士在 19 世纪发明的。1843 年发表了一幅草图。但燃料电池直到 20 世纪 60 年代才得到实际应用，当时它们被用于美国太空计划，为电力和饮用水提供供应（氢气和氧气可以从航天器油箱中轻松获得）。使用的是非常昂贵的材料，燃料电池需要非常纯净的氢气和氧气。早期的燃料电池往往需要不便的高工作温度，这在许多应用中是一个问题。
20 世纪 80 年代和 90 年代的技术进步，例如使用 Nafion 作为电解质以及减少对昂贵铂催化剂的需求，使得燃料电池在汽车等消费应用中变得更加现实。
巴拉德动力系统是燃料电池的主要制造商，在汽车燃料电池技术方面处于世界领先地位。福特汽车公司和戴姆勒克莱斯勒是巴拉德的主要投资者。截至 2006 年，唯一进行燃料电池汽车内部研发的主要汽车公司是通用汽车、丰田和本田；其他大多数公司都是巴拉德的客户。
联合技术公司 (UTX) 是大型固定式燃料电池的主要制造商，这些燃料电池用作医院和大型办公楼的热电联产电站。该公司还开发了由燃料电池驱动的公交车队。
燃料电池在某些应用中的使用存在争议。通常用作燃料的氢气并不是主要的能源来源。它通常只是一种储存的能量来源，必须使用来自其他来源的能量来制造。一些批评当前阶段技术的评论人士认为，制造燃料所需的能量可能会降低系统的最终能量效率，使其低于高效汽油内燃机的能量效率；如果氢气是通过电解水来产生的，情况尤其如此。另一方面，氢气可以从甲烷（天然气的主要成分）中产生，效率约为 80%。然而，甲烷转化方法会释放温室气体，理想的环境系统是使用可再生能源通过电解产生氢气。其他类型的燃料电池不会遇到这个问题。例如，生物燃料电池从食物残渣中获取葡萄糖和甲醇，并将它们转化为细菌的氢气和食物。
也有一些实际问题需要克服。尽管燃料电池在消费产品中的应用在不久的将来很有可能实现，但大多数目前的设计如果倒置将无法工作。它们目前无法缩放到便携式设备（如手机）所需的尺寸。目前的设计需要通风，因此无法在水下运行。由于存在燃料泄漏通过通风口的风险，它们可能无法在飞机上使用。用于消费燃料电池的安全加油技术尚未到位。
氢气使用中的争议包括：首先，生产氢气所需的能量与氢气中的能量相当，因此效率低下且成本过高。如果使用传统发电厂生产氢气，充其量，目前的污染率不会有任何改善。其次，一些人认为这是一种“烟雾弹”，目的是为了让核能重新回归，因为核能可能是生产氢气并减少污染的唯一商业上可行的方式。最后，需要提供非常长、昂贵且脆弱的数千英里的天然气管道，这使得氢气在没有政府帮助的情况下成本过高。
氢气也有一些优点。像太阳能和风能这样的清洁可再生能源在一天中是不连续且不可靠的。因此，这些来源的电力并不总是在需要的时候可用。从太阳能电池板或风力发电机产生的电力可以储存在大型电池组中，但这可能很昂贵，而且电池的存储容量和寿命有限。然而，如果使用电力生产氢气，则可以更容易地储存能量。氢气作为一种气体，很容易储存，直到需要使用为止。
- 2004-02-16，ScienceDaily：新型反应堆使从可再生燃料中获取氢成为可能 引文：“...第一个能够从可再生燃料来源（乙醇）中有效地生产氢气的反应堆已经发明，其效率足以具有经济潜力...”
- 燃料电池氢能技术新闻与活动
- BBC 新闻，2000 年 6 月 16 日：燃料电池变得更加酷
- PhysicsWorld：燃料电池
- PhysicsWorld：燃料电池：未来的动力 引文：“...燃料电池的高效率（可以从 40% 到 70% 不等），以及使用热电联产 (CHP) 设计提高此类系统整体效率的可能性将大大减少排放量...”
- 《连线》杂志：氢如何拯救美国