第一节 燃料电池概述
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
燃料电池具有以下优点：
1、不受卡诺循环限制，能量转换效率高；
2、洁净、无污染、噪声低；
3、模块结构、积木性强，比功率高。既可以集中供电，也适合分散供电。
4、高温型燃料电池可实现热电连供。
我国的燃料电池 研究 始于1958年，电子工业部天津电源 研究 所最早开展了MCFC 研究 。70年代在航天事业的推动下，中国科学院大连化学物理 研究 所研制成功千瓦级AFC。“七五”期间，中国科学院长春应用化学 研究 所1990承担了中科院PEMFC 研究 任务；1993开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的 研究 。电力工业部哈尔滨电站成套设备 研究 所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化物所、上海硅酸盐 研究 所、化工冶金 研究 所及清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC有关的 研究 。
我国科学工作者在燃料电池基础 研究 和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池 研究 方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，尚与发达国家有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次香山科学会议对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主 研究 与开发燃料电池系统的重要性和必要性。
从理论上讲，任何能发生电化学氧化还原反应的气体均可作为燃料电池的燃料或氧化剂。氢气是燃料电池常用的燃料气。氧是燃料电池中常用的氧化剂，它能很方便地从空气中获取。在地球周围单质氢是极少的，在地壳中的某些特定条件下虽然也有氢气存在，但都难于开采与回收。然而，氢具有高的电化学反应活性，可以从石油、天然气、甲醇、烃类或煤等通用燃料中转化而得。生物质能也是氢的重要来源，如：细菌制氢、发酵制氢及沼气回收等。工业副产氢也是燃料电池获得燃料的有效途径。此外，在冶金工业、发酵制酒厂及丁淳溶剂厂等生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量，估计可达标15亿立方米以上。
除氢气之外，还有一些气体如CO也可作为MCFC与SOFC的燃料。这样，天然气、管道煤气均是大型燃料电池发电站可资利用的丰富燃料资源。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径，因此，我国丰富的煤炭资源也是燃料电池所需燃料的巨大来源。
未来大规模推广使用燃料电池仍需要解决氢源问题。从石油、天然气和煤等化石燃料中制取氢气，从长远考虑仍存在着资源枯竭问题。众所周知，水是由氢和氧组成，因此大量的氢可从水中提取，特别是海水，真是取之不尽，用之不竭。我们将这一美好理想，寄希望于太阳光能制氢的实现。
90年代中期以来，国家自然科学基金委员会积极支持燃料电池的基础 研究 ；国家科技部和中国科学院共同投入了较多的资金，加强燃料电池系统的研制与工程开发，从而使我国的燃料电池 研究 出现了新的势头。
国家“九五”科技攻关项目和中国科学院“九五”应用 研究 与发展重大项目“燃料电池技术”是由国家科技部和中科院共同组织的重大攻关课题，总的目标是：利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新。在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括三个子项目：“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融炭酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”。其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。中国科学院“九五”特别支持项目的目标是：研制的PEMFC电池模块输出功率与国际同步，电池性能达到或超过国际90年代水平，并在石油、气象、铁路及通讯等部门，获得实际应用。承担上述燃料电池项目的有中国科学院及部门所属的12个 研究 所，科研人员130余人。
重大攻关课题“燃料电池技术”，在国家科技部和中国科学院的精心组织与大力支持下，取得了重大进展。中科院大连化物所研制并组装出100W至5KW多种规格的PEMFC电池组。用于30kW燃料电池电动汽车的PEMFC发动机正在进行5kW单元的运行试验。“燃料电池电动汽车装车实验 研究 ”由中国科学院电工 研究 所负责，现已完成整车性能、电气主回路、电控系统及25kW驱动电机设计；建成了功率驱动台架试验系统。由中国科学院电工 研究 所负责的“PEMFC电源系统研制”课题，主要从事PEMFC电源系统关键技术 研究 和系统工程开发。建有可进行千瓦级PEMFC电源寿命试验的“燃料电池系统实验室”。现已完成PEMFC移动电源专用微型H2/O2减压阀、多种小型金属储氢器及系列功率变换器等系统部件的开发。目前，正在进行自然对流型（无空气泵式）PEMFC便携式电源的系统集成工作。MCFC、SOFC、DMFC在基础 研究 和装置研制方面也取得了良好进展。中科院大连化物所组装出工作面积28cm2和110cm2的MCFC电池。中科院上海硅酸盐所全部采用国内原材料和自主 研究 的技术，建立并运行了一个10单元平板型SOFC电池堆，单电池有效面积9cm2，电池堆最大功率密度92mW/cm2。大连化物所正在进行SOFC电池材料、结构设计和组装技术的 研究 与开发，研制出的中温电池性能在800C°时达到0.2W/cm2。中科院化工冶金所1995年从俄罗斯引进了200W块状叠层电池组进行了运行试验。中科院长春应用化学所对直接甲醇燃料电池（DMFC）的电催化剂、电极、电极/膜集合体及单体电池的结构优化等进行了系统 研究 。80C°常压下，FcTMPPDMFC电池输出功率密度达0.3w/cm2，该性能处于国际领先水平。该所研制的直接甲醇/空气燃料电池，在常温常压下输出功率密度峰值达到24mW/cm2。
高等院校是我国从事燃料电池基础 研究 的一支重要力量。天津大学承担多项有关PEMFC的国家自然科学基金项目，进行了广泛的基础 研究 ，并在膜电极制备、水热管理等多方面取得了进展。清华大学核能 研究 院拥有研制PEMFC的成套设备。目前，输出功率10-30WPEMFC电堆，200W一体化PEMFC电堆，已研制成功。上海交通大学从日本引进的MCFC试验设备，现正在组装供基础 研究 用的MCFC，同时还与日本合作进行MCFC发电系统建模、仿真 研究 。此外，石油大学、吉林大学、北京科技大学、北京理工大学、武汉大学，以及电子部天津电源所等也分别在PEMFC、MCFC、SOFC方面开展了 研究 。
我国民营高科技企业也积极参与了PEMFC的开发。北京富原新技术开发总公司现已开发出50W、750W、1500W和5kW（见图7-2）系列样机。上海神力科技有限公司与中科院上海有机化学 研究 所合作，开发出用于PEMFC质子交换膜，经中科院大连化物所测试其电化学性能优于美国杜邦公司的同类产品。99年8月神力公司研制的1kWPEMFC电池开始运行。
我国燃料电池领域经过20余年的积累与发展，已初步形成了一支学科专业较为齐全的 研究 与开发队伍， 研究 条件明显改善。在PEMFC方面，总体水平与先进国家的差距正在缩小，单项技术有了自己的知识产权，已具备电池关键材料制备、部件试制，组装千瓦级电池组和进行应用系统开发的能力。在MCFC、SOFC等方面，总体水平与先进国家仍有较大差距。目前，已建立了MCFC、SOFC电池的材料制备、元件试制、电池组装和系统测试等实验室及试验基地十余个，从而为我国高温燃料电池的 研究 奠定了初步基础。
为进一步推动高效、清洁发电技术的 研究 与开发，“燃料电池发电技术”已被列入《科技发展“十五”计划和2015年远景 规划 （能源领域）》。
目前，我国燃料电池的 研究 形势很好。特别是PEMFC取得了长足进展。在此基础上，除继续做好对大功率PEMFC的材料、部件和工艺技术的 研究 外，还应加强PEMFC系统工程关键技术开发和系统集成。PEMFC系统集成的水平是PEMFC电源走向实用化、商品化的关键。此外，天然气重整制氢开发与实用化对在我国推广PEMFC发电系统有着重要的现实意义。PEMFC电动汽车在各类电动汽车发展中有明显的优势，应加强PEMFC发动机系统及其装车技术的 研究 。
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，从我国能源结构的实际出发，高度依赖煤炭消费的格局短期内不会改变。因此，开发以煤为一次能源的高温型MCFC和SOFC，对我国具有特别重要的意义。由于我国在MCFC和SOFC方面起点低，应选好整体技术的突破点，加强多孔、薄膜电极过程动力学理论、新型关键材料的设计、制备及多相复杂界面等方面的基础 研究 。
燃料电池将是21世纪最有竞争力的全新的高效、清洁发电方式。我国煤炭资源丰富，又是燃煤大国，大力开发燃料电池，对提高一次能源利用效率，发展洁净煤发电技术，具有特别重要的意义。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面，有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场。
第二节 直接甲醇燃料电池的 研究 概况
一、直接甲醇燃料电池技术及应用状况
直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接以甲醇为燃料的一类质子交换膜燃料电池。甲醇燃料来源丰富，价格便宜，理论比能量密度高(6000Wh/kg)，便于携带与储存。整个电池具有结构简单、方便灵活等特点。DMFC可作为偏远地区、海岛荒漠等小型独立电源；国防通讯、单兵作战电源；手机、摄像机、笔记本电脑等移动电源；军民通用的传感器件等。
目前可提供DMFC关键材料和电池组制备技术。
(1)关键材料：铂基电催化剂（Pt/C、PtRu/C、PtRuIr/C等，粒径可控在2－5纳米之间）；复合双极板（电导率高达120Scm-1）；新型阻醇电解质膜、MEA；
(2)电池组：空气自呼吸式DMFC的玩具车、PDA和手机电源的演示系统；石墨板为双极板的15W电池组；以不锈钢为双极板的20W电池组；金属复合板为双极板的200W电池组。
二、用于数码摄像机的直接甲醇燃料电池开发
在国家“863计划”的资助下，继去年成功开发国内首辆直接甲醇燃料电池电动自行车后，南京双登科技发展 研究 院在直接甲醇燃料电池应用 研究 领域再次取得进展，研制成功用于数码摄像机的10W级直接甲醇燃料电池及电源系统。
整个系统以公司自行研制的直接甲醇燃料电池为核心，采用了常温常压工作条件下，以自然空气为氧化剂，低功耗微型泵主动供料的设计路线。电源系统包括DMFC电堆、甲醇循环系统、空气进料系统、电控系统等四个子系统，其中的电控子系统也是利用 研究 院在电子技术上的优势自行研发的，有效地降低了开发成本。通过电控系统可将电堆输出的较宽的电压范围5～14V转变为数码摄像机需要的稳定的工作电压8.4V，同时为系统所带的微型泵提供电源。
由于氧化剂直接从空气中吸取，只需在燃料耗尽前及时补加甲醇燃料就可保持电源系统的连续供电，使直接甲醇燃料电池成为一个独立的移动式电源。经测试补加40ml甲醇可驱动数码摄像机连续工作5h以上，电源最大可输出功率16W，转换效率达79％。
三、零组件化直接甲醇燃料电池模组研制
为了突破燃料电池实用化与商品化瓶颈，并提供低成本且稳定的量产制程，Antig于日前首度发表『零组件化』直接甲醇燃料电池解决方案。
由于国际能源的价格高涨与长期短缺，开发低成本、高能源密度、高功率的替代能源已成为各国追求的共同目标。据了解，燃料电池(FuelCell)技术因具备高能源密度、高功率、零污染等特性，致使燃料电池成为近年来最被看好的替代能源供应技术主流。其中因消费者对于可携式电子产品之功能要求越来越多，又因传统二次电池能提供的使用时数明显不足的情况下，直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell，DMFC)因具备了燃料电池的优势，且其发电所需的燃料(甲醇)成本低、容易储藏、可低温运作等，直接甲醇燃料电池已成为近年来最被看好的未来电子用品主流电源。
Antig表示，燃料电池是一个全新的环保能源概念，与锂电池最大的不同在于锂电池是蓄电再发电的机制，其本身能供应的能量受限于每次的蓄电容量，当电用毕后必须重新蓄电才能再次放电，而燃料电池则是个能源转换器，只要将燃料持续供应，燃料电池即可源源不绝的提供电力，没有电力中断或必须更换电池的考量。
Antig进一步解释，直接甲醇燃料电池除具有高能源密度、高功率、零污染等特性，更具备免充电、无噪音、环保等优点，其优势导致市场一致性的看好直接甲醇燃料电池为未来可携式电子产品电源之主流；英特尔公司已多次在国际场合中提及直接甲醇燃料电池为未来IA产品的主要能源。Antig所扮演的角色串联了科学端及市场应用端，降低燃料电池技术进入障碍，尤其是实现商业化最关键的高成本与制成问题，皆提出新的制程技术与设计，解决并突破许多传统直接甲醇燃料电池的限制。
Antig的直接甲醇燃料电池技术将燃料电池缩减为一个简单且容易使用的模组(Module)，每一个模组都具备基本的燃料电池发电功能，却又能以不同数量的组合搭配来达成各种客户不同的电力需求，创造最大的弹性与便利性。同时Antig采用的印刷电路板制程，具备轻、薄、低成本、高稳定度等优点，能为客户提供一个稳定又极具竞争性的直接甲醇燃料电池模组(DMFCModule)。另外，Antig将复杂的材料科学整合成一个可由数字化介面来传达讯号及监控的零组件，采用工程师所熟悉的通讯协议，以达到降低燃料电池技术进入障碍的目的。
明年将是世界各国厂商发展燃料电池市场卡位的关键，但是目前的研发多集中于新进材料的研发及应用与更高能量密度及高功率之燃料电池系统的开发，除了Antig，目前尚未有任何一家业者已把燃料电池简单化与零组件化纳为研发重心。Antig提供的解决方案已经能让未来采用的业者快速达到低成本化、量产化与加速种种不同产品应用开发，而其优势在于协助降低燃料电池成本，使业者可以快速的切入燃料电池市场，在2007年商品化的阶段，在全球燃料电池供应链上扮演决定性的角色。
第三节 2008-2012年甲醇燃料电池市场前景预测
在以3C电子产品为主要应用领域的小型燃料电池方面，现今全球最具有成为3C电子产品新世代电源潜力者，当属质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell；简称PEMFC)，其中又以小型直接甲醇燃料电池（DirectMethanolFuelCell，DMFC）因具有激活速度快，使用的燃料为甲醇，具有储运方便且成本低等优势而倍受青睐，近年在全球国际大厂积极投入研发推波助澜下，技术进展迅速。许多公司正在以飞快的速度开发该产品的原型。全球的微型燃料电池出货量将会从2004年的5,000个增长到2011年的2亿个，销售额也将从100万美元上升到20亿美元。
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