第一節(jié) 燃料電池概述

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)的不同，可將燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。

燃料電池具有以下優(yōu)點：

1、不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高；

2、潔凈、無污染、噪聲低；

3、模塊結(jié)構(gòu)、積木性強，比功率高。既可以集中供電，也適合分散供電。

4、高溫型燃料電池可實現(xiàn)熱電連供。

我國的燃料電池 研究 始于1958年，電子工業(yè)部天津電源 研究 所最早開展了MCFC 研究 。70年代在航天事業(yè)的推動下，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理 研究 所研制成功千瓦級AFC。“七五”期間，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué) 研究 所1990承擔(dān)了中科院PEMFC 研究 任務(wù)；1993開始進行直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池（DMFC）的 研究 。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備 研究 所于1991年研制出由7個單電池組成的MCFC原理性電池。“八五”期間，中科院大連化物所、上海硅酸鹽 研究 所、化工冶金 研究 所及清華大學(xué)等國內(nèi)十幾個單位進行了與SOFC有關(guān)的 研究 。

我國科學(xué)工作者在燃料電池基礎(chǔ) 研究 和單項技術(shù)方面取得了不少進展，積累了一定經(jīng)驗。但是，由于多年來在燃料電池 研究 方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來看，尚與發(fā)達國家有較大差距。我國有關(guān)部門和專家對燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次香山科學(xué)會議對我國燃料電池技術(shù)的發(fā)展進行了專題討論，強調(diào)了自主 研究 與開發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。

從理論上講，任何能發(fā)生電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的氣體均可作為燃料電池的燃料或氧化劑。氫氣是燃料電池常用的燃料氣。氧是燃料電池中常用的氧化劑，它能很方便地從空氣中獲取。在地球周圍單質(zhì)氫是極少的，在地殼中的某些特定條件下雖然也有氫氣存在，但都難于開采與回收。然而，氫具有高的電化學(xué)反應(yīng)活性，可以從石油、天然氣、甲醇、烴類或煤等通用燃料中轉(zhuǎn)化而得。生物質(zhì)能也是氫的重要來源，如：細菌制氫、發(fā)酵制氫及沼氣回收等。工業(yè)副產(chǎn)氫也是燃料電池獲得燃料的有效途徑。此外，在冶金工業(yè)、發(fā)酵制酒廠及丁淳溶劑廠等生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計可達標15億立方米以上。

除氫氣之外，還有一些氣體如CO也可作為MCFC與SOFC的燃料。這樣，天然氣、管道煤氣均是大型燃料電池發(fā)電站可資利用的豐富燃料資源。從長遠發(fā)展看，高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)是利用煤炭資源進行高效、清潔發(fā)電的有效途徑，因此，我國豐富的煤炭資源也是燃料電池所需燃料的巨大來源。

未來大規(guī)模推廣使用燃料電池仍需要解決氫源問題。從石油、天然氣和煤等化石燃料中制取氫氣，從長遠考慮仍存在著資源枯竭問題。眾所周知，水是由氫和氧組成，因此大量的氫可從水中提取，特別是海水，真是取之不盡，用之不竭。我們將這一美好理想，寄希望于太陽光能制氫的實現(xiàn)。

90年代中期以來，國家自然科學(xué)基金委員會積極支持燃料電池的基礎(chǔ) 研究 ；國家科技部和中國科學(xué)院共同投入了較多的資金，加強燃料電池系統(tǒng)的研制與工程開發(fā)，從而使我國的燃料電池 研究 出現(xiàn)了新的勢頭。

國家“九五”科技攻關(guān)項目和中國科學(xué)院“九五”應(yīng)用 研究 與發(fā)展重大項目“燃料電池技術(shù)”是由國家科技部和中科院共同組織的重大攻關(guān)課題，總的目標是：利用我國的資源優(yōu)勢，從高起點做起，加強創(chuàng)新。在“九五”期間，使我國燃料電池的技術(shù)發(fā)展接近國際水平。內(nèi)容包括三個子項目：“質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)”、“熔融炭酸鹽燃料電池技術(shù)”及“固體氧化物燃料電池技術(shù)”。其中，用于電動汽車的“5kW質(zhì)子交換膜燃料電池”列為開發(fā)的重點。中國科學(xué)院“九五”特別支持項目的目標是：研制的PEMFC電池模塊輸出功率與國際同步，電池性能達到或超過國際90年代水平，并在石油、氣象、鐵路及通訊等部門，獲得實際應(yīng)用。承擔(dān)上述燃料電池項目的有中國科學(xué)院及部門所屬的12個 研究 所，科研人員130余人。

重大攻關(guān)課題“燃料電池技術(shù)”，在國家科技部和中國科學(xué)院的精心組織與大力支持下，取得了重大進展。中科院大連化物所研制并組裝出100W至5KW多種規(guī)格的PEMFC電池組。用于30kW燃料電池電動汽車的PEMFC發(fā)動機正在進行5kW單元的運行試驗。“燃料電池電動汽車裝車實驗 研究 ”由中國科學(xué)院電工 研究 所負責(zé)，現(xiàn)已完成整車性能、電氣主回路、電控系統(tǒng)及25kW驅(qū)動電機設(shè)計；建成了功率驅(qū)動臺架試驗系統(tǒng)。由中國科學(xué)院電工 研究 所負責(zé)的“PEMFC電源系統(tǒng)研制”課題，主要從事PEMFC電源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 研究 和系統(tǒng)工程開發(fā)。建有可進行千瓦級PEMFC電源壽命試驗的“燃料電池系統(tǒng)實驗室”?，F(xiàn)已完成PEMFC移動電源專用微型H2/O2減壓閥、多種小型金屬儲氫器及系列功率變換器等系統(tǒng)部件的開發(fā)。目前，正在進行自然對流型（無空氣泵式）PEMFC便攜式電源的系統(tǒng)集成工作。MCFC、SOFC、DMFC在基礎(chǔ) 研究 和裝置研制方面也取得了良好進展。中科院大連化物所組裝出工作面積28cm2和110cm2的MCFC電池。中科院上海硅酸鹽所全部采用國內(nèi)原材料和自主 研究 的技術(shù)，建立并運行了一個10單元平板型SOFC電池堆，單電池有效面積9cm2，電池堆最大功率密度92mW/cm2。大連化物所正在進行SOFC電池材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和組裝技術(shù)的 研究 與開發(fā)，研制出的中溫電池性能在800C°時達到0.2W/cm2。中科院化工冶金所1995年從俄羅斯引進了200W塊狀疊層電池組進行了運行試驗。中科院長春應(yīng)用化學(xué)所對直接甲醇燃料電池（DMFC）的電催化劑、電極、電極/膜集合體及單體電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等進行了系統(tǒng) 研究 。80C°常壓下，F(xiàn)cTMPPDMFC電池輸出功率密度達0.3w/cm2，該性能處于國際領(lǐng)先水平。該所研制的直接甲醇/空氣燃料電池，在常溫常壓下輸出功率密度峰值達到24mW/cm2。

高等院校是我國從事燃料電池基礎(chǔ) 研究 的一支重要力量。天津大學(xué)承擔(dān)多項有關(guān)PEMFC的國家自然科學(xué)基金項目，進行了廣泛的基礎(chǔ) 研究 ，并在膜電極制備、水熱管理等多方面取得了進展。清華大學(xué)核能 研究 院擁有研制PEMFC的成套設(shè)備。目前，輸出功率10-30WPEMFC電堆，200W一體化PEMFC電堆，已研制成功。上海交通大學(xué)從日本引進的MCFC試驗設(shè)備，現(xiàn)正在組裝供基礎(chǔ) 研究 用的MCFC，同時還與日本合作進行MCFC發(fā)電系統(tǒng)建模、仿真 研究 。此外，石油大學(xué)、吉林大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、武漢大學(xué)，以及電子部天津電源所等也分別在PEMFC、MCFC、SOFC方面開展了 研究 。

我國民營高科技企業(yè)也積極參與了PEMFC的開發(fā)。北京富原新技術(shù)開發(fā)總公司現(xiàn)已開發(fā)出50W、750W、1500W和5kW（見圖7-2）系列樣機。上海神力科技有限公司與中科院上海有機化學(xué) 研究 所合作，開發(fā)出用于PEMFC質(zhì)子交換膜，經(jīng)中科院大連化物所測試其電化學(xué)性能優(yōu)于美國杜邦公司的同類產(chǎn)品。99年8月神力公司研制的1kWPEMFC電池開始運行。

我國燃料電池領(lǐng)域經(jīng)過20余年的積累與發(fā)展，已初步形成了一支學(xué)科專業(yè)較為齊全的 研究 與開發(fā)隊伍， 研究 條件明顯改善。在PEMFC方面，總體水平與先進國家的差距正在縮小，單項技術(shù)有了自己的知識產(chǎn)權(quán)，已具備電池關(guān)鍵材料制備、部件試制，組裝千瓦級電池組和進行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的能力。在MCFC、SOFC等方面，總體水平與先進國家仍有較大差距。目前，已建立了MCFC、SOFC電池的材料制備、元件試制、電池組裝和系統(tǒng)測試等實驗室及試驗基地十余個，從而為我國高溫燃料電池的 研究 奠定了初步基礎(chǔ)。

為進一步推動高效、清潔發(fā)電技術(shù)的 研究 與開發(fā)，“燃料電池發(fā)電技術(shù)”已被列入《科技發(fā)展“十五”計劃和2015年遠景 規(guī)劃 （能源領(lǐng)域）》。

目前，我國燃料電池的 研究 形勢很好。特別是PEMFC取得了長足進展。在此基礎(chǔ)上，除繼續(xù)做好對大功率PEMFC的材料、部件和工藝技術(shù)的 研究 外，還應(yīng)加強PEMFC系統(tǒng)工程關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)集成。PEMFC系統(tǒng)集成的水平是PEMFC電源走向?qū)嵱没⑸唐坊年P(guān)鍵。此外，天然氣重整制氫開發(fā)與實用化對在我國推廣PEMFC發(fā)電系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實意義。PEMFC電動汽車在各類電動汽車發(fā)展中有明顯的優(yōu)勢，應(yīng)加強PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)及其裝車技術(shù)的 研究 。

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，從我國能源結(jié)構(gòu)的實際出發(fā)，高度依賴煤炭消費的格局短期內(nèi)不會改變。因此，開發(fā)以煤為一次能源的高溫型MCFC和SOFC，對我國具有特別重要的意義。由于我國在MCFC和SOFC方面起點低，應(yīng)選好整體技術(shù)的突破點，加強多孔、薄膜電極過程動力學(xué)理論、新型關(guān)鍵材料的設(shè)計、制備及多相復(fù)雜界面等方面的基礎(chǔ) 研究 。

燃料電池將是21世紀最有競爭力的全新的高效、清潔發(fā)電方式。我國煤炭資源豐富，又是燃煤大國，大力開發(fā)燃料電池，對提高一次能源利用效率，發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù)，具有特別重要的意義。預(yù)計燃料電池系統(tǒng)將在潔凈煤燃料電池電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面，有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的潛在市場。

第二節(jié) 直接甲醇燃料電池的 研究 概況

一、直接甲醇燃料電池技術(shù)及應(yīng)用狀況

直接甲醇燃料電池(DMFC)是直接以甲醇為燃料的一類質(zhì)子交換膜燃料電池。甲醇燃料來源豐富，價格便宜，理論比能量密度高(6000Wh/kg)，便于攜帶與儲存。整個電池具有結(jié)構(gòu)簡單、方便靈活等特點。DMFC可作為偏遠地區(qū)、海島荒漠等小型獨立電源；國防通訊、單兵作戰(zhàn)電源；手機、攝像機、筆記本電腦等移動電源；軍民通用的傳感器件等。

目前可提供DMFC關(guān)鍵材料和電池組制備技術(shù)。

(1)關(guān)鍵材料：鉑基電催化劑（Pt/C、PtRu/C、PtRuIr/C等，粒徑可控在2－5納米之間）；復(fù)合雙極板（電導(dǎo)率高達120Scm-1）；新型阻醇電解質(zhì)膜、MEA；

(2)電池組：空氣自呼吸式DMFC的玩具車、PDA和手機電源的演示系統(tǒng)；石墨板為雙極板的15W電池組；以不銹鋼為雙極板的20W電池組；金屬復(fù)合板為雙極板的200W電池組。

二、用于數(shù)碼攝像機的直接甲醇燃料電池開發(fā)

在國家“863計劃”的資助下，繼去年成功開發(fā)國內(nèi)首輛直接甲醇燃料電池電動自行車后，南京雙登科技發(fā)展 研究 院在直接甲醇燃料電池應(yīng)用 研究 領(lǐng)域再次取得進展，研制成功用于數(shù)碼攝像機的10W級直接甲醇燃料電池及電源系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)以公司自行研制的直接甲醇燃料電池為核心，采用了常溫常壓工作條件下，以自然空氣為氧化劑，低功耗微型泵主動供料的設(shè)計路線。電源系統(tǒng)包括DMFC電堆、甲醇循環(huán)系統(tǒng)、空氣進料系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等四個子系統(tǒng)，其中的電控子系統(tǒng)也是利用 研究 院在電子技術(shù)上的優(yōu)勢自行研發(fā)的，有效地降低了開發(fā)成本。通過電控系統(tǒng)可將電堆輸出的較寬的電壓范圍5～14V轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)碼攝像機需要的穩(wěn)定的工作電壓8.4V，同時為系統(tǒng)所帶的微型泵提供電源。

由于氧化劑直接從空氣中吸取，只需在燃料耗盡前及時補加甲醇燃料就可保持電源系統(tǒng)的連續(xù)供電，使直接甲醇燃料電池成為一個獨立的移動式電源。經(jīng)測試補加40ml甲醇可驅(qū)動數(shù)碼攝像機連續(xù)工作5h以上，電源最大可輸出功率16W，轉(zhuǎn)換效率達79％。

三、零組件化直接甲醇燃料電池模組研制

為了突破燃料電池實用化與商品化瓶頸，并提供低成本且穩(wěn)定的量產(chǎn)制程，Antig于日前首度發(fā)表『零組件化』直接甲醇燃料電池解決方案。

由于國際能源的價格高漲與長期短缺，開發(fā)低成本、高能源密度、高功率的替代能源已成為各國追求的共同目標。據(jù)了解，燃料電池(FuelCell)技術(shù)因具備高能源密度、高功率、零污染等特性，致使燃料電池成為近年來最被看好的替代能源供應(yīng)技術(shù)主流。其中因消費者對于可攜式電子產(chǎn)品之功能要求越來越多，又因傳統(tǒng)二次電池能提供的使用時數(shù)明顯不足的情況下，直接甲醇燃料電池(DirectMethanolFuelCell，DMFC)因具備了燃料電池的優(yōu)勢，且其發(fā)電所需的燃料(甲醇)成本低、容易儲藏、可低溫運作等，直接甲醇燃料電池已成為近年來最被看好的未來電子用品主流電源。

Antig表示，燃料電池是一個全新的環(huán)保能源概念，與鋰電池最大的不同在于鋰電池是蓄電再發(fā)電的機制，其本身能供應(yīng)的能量受限于每次的蓄電容量，當(dāng)電用畢后必須重新蓄電才能再次放電，而燃料電池則是個能源轉(zhuǎn)換器，只要將燃料持續(xù)供應(yīng)，燃料電池即可源源不絕的提供電力，沒有電力中斷或必須更換電池的考量。

Antig進一步解釋，直接甲醇燃料電池除具有高能源密度、高功率、零污染等特性，更具備免充電、無噪音、環(huán)保等優(yōu)點，其優(yōu)勢導(dǎo)致市場一致性的看好直接甲醇燃料電池為未來可攜式電子產(chǎn)品電源之主流；英特爾公司已多次在國際場合中提及直接甲醇燃料電池為未來IA產(chǎn)品的主要能源。Antig所扮演的角色串聯(lián)了科學(xué)端及市場應(yīng)用端，降低燃料電池技術(shù)進入障礙，尤其是實現(xiàn)商業(yè)化最關(guān)鍵的高成本與制成問題，皆提出新的制程技術(shù)與設(shè)計，解決并突破許多傳統(tǒng)直接甲醇燃料電池的限制。

Antig的直接甲醇燃料電池技術(shù)將燃料電池縮減為一個簡單且容易使用的模組(Module)，每一個模組都具備基本的燃料電池發(fā)電功能，卻又能以不同數(shù)量的組合搭配來達成各種客戶不同的電力需求，創(chuàng)造最大的彈性與便利性。同時Antig采用的印刷電路板制程，具備輕、薄、低成本、高穩(wěn)定度等優(yōu)點，能為客戶提供一個穩(wěn)定又極具競爭性的直接甲醇燃料電池模組(DMFCModule)。另外，Antig將復(fù)雜的材料科學(xué)整合成一個可由數(shù)字化介面來傳達訊號及監(jiān)控的零組件，采用工程師所熟悉的通訊協(xié)議，以達到降低燃料電池技術(shù)進入障礙的目的。

明年將是世界各國廠商發(fā)展燃料電池市場卡位的關(guān)鍵，但是目前的研發(fā)多集中于新進材料的研發(fā)及應(yīng)用與更高能量密度及高功率之燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)，除了Antig，目前尚未有任何一家業(yè)者已把燃料電池簡單化與零組件化納為研發(fā)重心。Antig提供的解決方案已經(jīng)能讓未來采用的業(yè)者快速達到低成本化、量產(chǎn)化與加速種種不同產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)，而其優(yōu)勢在于協(xié)助降低燃料電池成本，使業(yè)者可以快速的切入燃料電池市場，在2007年商品化的階段，在全球燃料電池供應(yīng)鏈上扮演決定性的角色。

第三節(jié) 2008-2012年甲醇燃料電池市場前景預(yù)測

在以3C電子產(chǎn)品為主要應(yīng)用領(lǐng)域的小型燃料電池方面，現(xiàn)今全球最具有成為3C電子產(chǎn)品新世代電源潛力者，當(dāng)屬質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell；簡稱PEMFC)，其中又以小型直接甲醇燃料電池（DirectMethanolFuelCell，DMFC）因具有激活速度快，使用的燃料為甲醇，具有儲運方便且成本低等優(yōu)勢而倍受青睞，近年在全球國際大廠積極投入研發(fā)推波助瀾下，技術(shù)進展迅速。許多公司正在以飛快的速度開發(fā)該產(chǎn)品的原型。全球的微型燃料電池出貨量將會從2004年的5,000個增長到2011年的2億個，銷售額也將從100萬美元上升到20億美元。

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