電子學/燃料電池
燃料電池是一種類似於電池的電化學裝置，但與電池不同的是，它被設計為持續補充消耗的反應物；即它從外部燃料供應中產生電力，而不是像電池那樣有限的內部能量儲存能力。
典型的反應物是陽極側的氫氣和陰極側的氧氣。相比之下，傳統的電池消耗固體反應物，一旦這些反應物耗盡，就必須丟棄、透過反向化學反應用電力充電，或者至少在理論上更換電極。在燃料電池中，反應物通常流入，反應產物流出，只要這些流動保持，就可以實現持續的長期執行。
燃料電池在一些應用中也具有吸引力，因為它們效率高、汙染低。一些建議的應用包括
- 基荷發電廠，
- 應急備用電源，
- 離網儲能，
- 行動式電子產品，以及
- 電動汽車。
一般來說，燃料電池有五種型別，其中兩種是目前研究的重點。
PEM 燃料電池的縮寫存在爭議，可以是 質子交換膜 或 聚合物電解質膜，兩者實際上都是很好的描述。在這種燃料電池中，氫氣在膜表面被分解成質子，質子透過膜移動，電子則透過外部電路移動，並提供我們的能量。氫離子透過膜中夾帶的水移動到另一側，在那裡它們與氧氣結合形成水。不幸的是，雖然氫分子分解起來相對容易，但分解更強的氧分子則更加困難，這會導致顯著的損失，從而導致燃料電池效能急劇下降。PEM 燃料電池是各種尺寸的車輛和其他移動應用的首選，包括手機，因為它體積小。但是，夾帶水的膜對效能至關重要：水太多會導致膜淹沒，水太少會導致膜乾燥；在這兩種情況下，功率輸出都會下降；水管理是 PEM 燃料電池中一個非常困難的問題。此外，膜上的鉑催化劑很容易被 CO 毒化。
人們提出了使用重整甲醇的 PEM 系統，例如戴姆勒克萊斯勒 Necar 5；然而，甲醇重整，即讓它反應以獲得氫氣，是一個非常複雜的工藝，它還需要從反應產生的 CO 中進行提純。由於一些 CO 不可避免地會到達膜，因此需要鉑釕催化劑。其濃度不應超過百萬分之十。
PEM 的一個子類別是 DMFC 或 直接甲醇燃料電池；在這裡，甲醇沒有經過重整，而是直接輸入到燃料電池。人們不需要複雜的重整過程，而且甲醇的儲存比氫氣容易得多。但是，由於甲醇透過膜的滲透率很高，而且動態特性遲緩，因此效率很低。
PEM 的主要製造商是加拿大溫哥華的巴拉德動力系統公司。PEM 的效率在 40-50% 的範圍內。
固體氧化物燃料電池 或 SOFC 主要用於固定式應用（發電廠）。它們在非常高的溫度下工作（有些在 1000ºC），其廢氣可以用來驅動二級燃氣輪機來提高效率。在這些混合系統中，效率可以高達 70%。這一次，氧氣透過高溫下的固體氧化物轉移到另一側，與氫氣發生反應。SOFC 具有很高的工作溫度，因此可以（經過一些改進）使用天然氣作為燃料，天然氣將在燃料電池本身內反應生成氫氣。SOFC 對毒化具有很強的抵抗力，實際上可以以 CO 作為燃料，而 CO 對於 PEM 來說是一種毒物。
由於 SOFC 由陶瓷材料製成，因此它們往往很脆；因此，它們不適合用於移動應用。此外，熱膨脹要求在啟動時進行均勻緩慢的加熱過程，這會導致非常長的啟動時間：通常需要 8 個小時。目前的研究方向是低溫 SOFC（600ºC），這將使金屬材料的使用成為可能，金屬材料具有更好的機械效能和熱導率。
熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）也是高溫的，但在 600ºC 範圍內。它們的主要問題是腐蝕，以及需要操作高溫液體而不是像 SOFC 那樣操作固體。
磷酸燃料電池（PAFC）是一種成熟的技術，目前已投入商業應用。不幸的是，磷酸在低於 40ºC 時會凝固，這使得啟動變得非常困難。它們已用於固定式應用，效率約為 40%，許多人認為它們在進一步發展方面沒有太多潛力。
鹼性燃料電池（AFC）是將人類送上月球的電池。它在阿波羅系列任務和太空梭上使用，是一種非常好的燃料電池，但它會被 CO2 毒化。這意味著電池需要純氧氣，或者至少需要純淨的空氣。由於這一過程相對昂貴，因此 AFC 的開發並不多。美國宇航局已決定在下一代太空梭上轉向 PEM。
燃料電池是電化學裝置，因此不受熱力學（卡諾）效率最大值的限制，而內燃機則受此限制。因此，它們在將化學能轉換為電能方面可以具有非常高的效率。
在典型的氫氧聚合物電解質膜（PEM）燃料電池中，一個質子傳導聚合物膜將陽極（“燃料”）側和陰極側隔開。每側都有一根電極，通常是塗有鉑催化劑的碳紙。
在陽極側，氫氣擴散到陽極催化劑上，在那裡它分解成質子和電子。質子透過膜傳導到陰極，但電子被迫在外部電路中流動（提供能量），因為膜是電子絕緣的。
在陰極催化劑上，氧氣分子與電子（已透過外部電路流動）和質子反應生成水。
在這個例子中，唯一的廢物是水蒸氣。
此外，燃料電池可以用於家庭，在低電價的非高峰時段儲存能量，並在高峰時段使用。甚至可以將一些能量賣回給電力公司，就像風力發電一樣。高峰電力生產達到正常水平的兩倍，這意味著非常昂貴的電廠容量是按照短時間使用的水平來設計的。此外，發電廠的效率在只有一個生產率時最高，而在非高峰時段效率會大幅下降。
第一個燃料電池是由英國科學家威廉·格羅夫爵士在 19 世紀發明的。1843 年發表了一幅草圖。但燃料電池直到 20 世紀 60 年代才得到實際應用，當時它們被用於美國太空計劃，為電力和飲用水提供供應（氫氣和氧氣可以從航天器油箱中輕鬆獲得）。使用的是非常昂貴的材料，燃料電池需要非常純淨的氫氣和氧氣。早期的燃料電池往往需要不便的高工作溫度，這在許多應用中是一個問題。
20 世紀 80 年代和 90 年代的技術進步，例如使用 Nafion 作為電解質以及減少對昂貴鉑催化劑的需求，使得燃料電池在汽車等消費應用中變得更加現實。
巴拉德動力系統是燃料電池的主要製造商，在汽車燃料電池技術方面處於世界領先地位。福特汽車公司和戴姆勒克萊斯勒是巴拉德的主要投資者。截至 2006 年，唯一進行燃料電池汽車內部研發的主要汽車公司是通用汽車、豐田和本田；其他大多數公司都是巴拉德的客戶。
聯合技術公司 (UTX) 是大型固定式燃料電池的主要製造商，這些燃料電池用作醫院和大型辦公樓的熱電聯產電站。該公司還開發了由燃料電池驅動的公交車隊。
燃料電池在某些應用中的使用存在爭議。通常用作燃料的氫氣並不是主要的能源來源。它通常只是一種儲存的能量來源，必須使用來自其他來源的能量來製造。一些批評當前階段技術的評論人士認為，製造燃料所需的能量可能會降低系統的最終能量效率，使其低於高效汽油內燃機的能量效率；如果氫氣是透過電解水來產生的，情況尤其如此。另一方面，氫氣可以從甲烷（天然氣的主要成分）中產生，效率約為 80%。然而，甲烷轉化方法會釋放溫室氣體，理想的環境系統是使用可再生能源透過電解產生氫氣。其他型別的燃料電池不會遇到這個問題。例如，生物燃料電池從食物殘渣中獲取葡萄糖和甲醇，並將它們轉化為細菌的氫氣和食物。
也有一些實際問題需要克服。儘管燃料電池在消費產品中的應用在不久的將來很有可能實現，但大多數目前的設計如果倒置將無法工作。它們目前無法縮放到行動式裝置（如手機）所需的尺寸。目前的設計需要通風，因此無法在水下執行。由於存在燃料洩漏透過通風口的風險，它們可能無法在飛機上使用。用於消費燃料電池的安全加油技術尚未到位。
氫氣使用中的爭議包括：首先，生產氫氣所需的能量與氫氣中的能量相當，因此效率低下且成本過高。如果使用傳統發電廠生產氫氣，充其量，目前的汙染率不會有任何改善。其次，一些人認為這是一種“煙霧彈”，目的是為了讓核能重新迴歸，因為核能可能是生產氫氣並減少汙染的唯一商業上可行的方式。最後，需要提供非常長、昂貴且脆弱的數千英里的天然氣管道，這使得氫氣在沒有政府幫助的情況下成本過高。
氫氣也有一些優點。像太陽能和風能這樣的清潔可再生能源在一天中是不連續且不可靠的。因此，這些來源的電力並不總是在需要的時候可用。從太陽能電池板或風力發電機產生的電力可以儲存在大型電池組中，但這可能很昂貴，而且電池的儲存容量和壽命有限。然而，如果使用電力生產氫氣，則可以更容易地儲存能量。氫氣作為一種氣體，很容易儲存，直到需要使用為止。
- 2004-02-16，ScienceDaily：新型反應堆使從可再生燃料中獲取氫成為可能 引文：“...第一個能夠從可再生燃料來源（乙醇）中有效地生產氫氣的反應堆已經發明，其效率足以具有經濟潛力...”
- 燃料電池氫能技術新聞與活動
- BBC 新聞，2000 年 6 月 16 日：燃料電池變得更加酷
- PhysicsWorld：燃料電池
- PhysicsWorld：燃料電池：未來的動力 引文：“...燃料電池的高效率（可以從 40% 到 70% 不等），以及使用熱電聯產 (CHP) 設計提高此類系統整體效率的可能性將大大減少排放量...”
- 《連線》雜誌：氫如何拯救美國