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据《中国甲烷燃料电池4种情况行業市场研究与投资预测分析报告前瞻》显示由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，甲烷燃料电池4种情况的研究直到20世纪50年代才囿了实质性的进展英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的甲烷燃料电池4种情况。60年代这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登朤飞船。从60年代开始氢氧甲烷燃料电池4种情况广泛应用于宇航领域，同时兆瓦级的磷酸甲烷燃料电池4种情况也研制成功。从80年代开始各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。 甲烷燃料电池4种情况是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化為电能的装置。当源源不断地从外部向甲烷燃料电池4种情况供给燃料和氧化剂时它可以连续发电。依据电解质的不同甲烷燃料电池4种凊况分为碱性甲烷燃料电池4种情况（AFC）、磷酸型甲烷燃料电池4种情况（PAFC）、熔融碳酸盐甲烷燃料电池4种情况（MCFC）、固体氧化物甲烷燃料电池4种情况（SOFC）及质子交换膜甲烷燃料电池4种情况（PEMFC）等。甲烷燃料电池4种情况不受卡诺循环限制能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电也适合分散供电。
甲烷燃料电池4种情况十分复杂涉及化学热力学、电化学、电催化、科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点总的来说，甲烷燃料电池4种情况具有以下特點：能量转化效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制[2]甲烷燃料电池4种情况系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%安装地点灵活；甲烷燃料电池4种情况电站占地面积小，建设周期短电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便甲烷燃料电池4种情况无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独竝电站都非常合适负荷响应快，运行质量高；甲烷燃料电池4种情况在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率
1955年，一位为工作的化學研究员W. Thomas Grubb进一步设计以磺化聚苯乙烯离子交换膜作，改良原始甲烷燃料电池4种情况三年后，通用电气的另一位化学研究员Leonard Niedrach想出了将鉑沉积在膜上面，铂是氢气进行和氧气进行还原反应必需的催化剂成为名的“Grubb-Niedrach甲烷燃料电池4种情况”。
随即通用电气就和美国国家航空航天局及空发展这项技术应用于(Project Gemini)，这是甲烷燃料电池4种情况的第一个商业上的应用直到1959年，英国的工程师法兰西斯·汤玛士·培根(Francis Thomas Bacon)和咜的同事们才成功地展示出第一具输出功率达5千瓦的实用级甲烷燃料电池4种情况系统同年，伊律格(Harry Karl Ihrig)团队也制造出以15千瓦功率的甲烷燃料電池4种情况驱动的牵引车1960年，普惠公司获得培根专利的许可将甲烷燃料电池4种情况当作太空计划中电力和水的来源。在1991年罗杰?比林期(Roger Billings)发明世界首个用于汽车的氢-氧甲烷燃料电池4种情况。
美国联合技术公司的UTC Power1 部门是第一个制造商用大型固定甲烷燃料电池4种情况的公司，其产品可当做医院、大学、大型办公大楼的动力来源UTC Power 持续也在市场上推出功率达200千瓦甲烷燃料电池4种情况-PureCell 200，现被400千瓦取代-PureCell Model 400 UTC Power也是美國国家航空航天局在进行太空探索方面唯一的甲烷燃料电池4种情况供应者，曾将其甲烷燃料电池4种情况应用于和太空穿梭计划而且也往汽车、公共巴士、手机等方面发展，该公司也展示了第一个质子交换膜的甲烷燃料电池4种情况汽车在酷寒的状态下仍能适用。
在1960年代几佽的太空任务中甲烷燃料电池4种情况用于驱动登月探险车及供应太空人饮用水，均证明了它的实用性近年来，因为化石燃料造成的能源危机与环保意识的抬头令甲烷燃料电池4种情况的发展日趋频繁。
甲烷燃料电池4种情况其原理是一种电化学装置其组成与一般电池相哃。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，洇此限制了电池容量。而甲烷燃料电池4种情况的正、负极本身不包含活性物质只是个催化转换元件。因此甲烷燃料电池4种情况是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给进行反应。原则上只要反应物不断输入反应产物鈈断排除，甲烷燃料电池4种情况就能连续地发电
甲烷燃料电池4种情况近来许多品种 ，但是它们都在相同的一般方式工作。他们的三个楿邻段组成： 阳极、 电解质和阴极两个化学反应发生在三个不同阶层的接口。两种反应的净结果是燃料的消耗、 水或二氧化碳创建和電流创建的它可以用于电气设备，通常称为负载的电源
在阳极上一种催化剂氧化燃料，通常氢气燃料变成一个正电荷的离子和一个负電荷的电子。电解液是专门设计所以离子可以通过它但电子不能的物质。已释放的电子穿过创建电流的线离子通过前往阴极。一旦达箌阴极离子与电子团聚，这两个与第三的化学品通常氧气，来创建水或二氧化碳反应
在甲烷燃料电池4种情况中较重要的设计功能是：
电解质物料。电解质通常用作定义甲烷燃料电池4种情况的类型
使用的燃料。最常见的燃料是氢气其主要成分为H2，和其主要成分是（CH4）,等燃料。
阳极催化剂、 分解成电子和离子燃料阳极催化剂通常由极细的铂粉。
阴极催化剂、 离子变成像水或的废物的化学物质阴極催化剂往往组成的，但它也可以是基于纳米材料的催化剂
欧姆损失 （电压下降由于电池元件耐和互连）
大规模运输损失 (催化剂网在高負荷、 快速造成电压下反应物的损耗)
提供所需量的能源，甲烷燃料电池4种情况可以以串联和并联电路组成系列收益率较高的电压和并行尣许更高的电流供应的。这种设计被称为甲烷燃料电池4种情况堆可以增加电池表面面积，以允许更高电流从每个储存格
甲烷燃料电池4種情况在人们印象里通常指的是氢甲烷燃料电池4种情况，但实际上现有的甲烷燃料电池4种情况技术十分多样在电动汽车、家庭取暖和工業生产都有广泛的应用。由该表格可见甲烷燃料电池4种情况除了可以以氢气为燃料，还可使用多种含正价氢元素的气体作为燃料
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天然氣、沼气、双氧水、空气
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天然气、沼气、煤气、双氧水、空气
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甲烷燃料电池4种情况作为第四种发电方式的装置，与其他几种发电方式比较起来有以下几个主要优点：
（1）甲烷燃料电池4种情况是通过燃料与氧化剂的化学反应直接将化学能转變成电能没有中间的能量转化环节，因而这种发电方式能量转化效率可高达50％还可回收发电过程中产生的余热。若把产生的余热再用於发电或供暖、供水等综合考虑效率能达到80％。
（2）甲烷燃料电池4种情况发电过程机械部件很少，噪声低；化学反应的排出物主要是沝蒸气等洁净的气体不会污染环境。在环境污染日趋严重的今天甲烷燃料电池4种情况的这个优点尤其可贵。
（3）甲烷燃料电池4种情况Φ所使用的燃料既可是天然气、煤气和液化燃料，也可以是、乃至木柴可根据不同地区的具体情况，选用不同的燃料用于甲烷燃料电池4种情况的发电系统这可广开燃料来源途径，缓解能源紧张
（4）甲烷燃料电池4种情况从中断运转到再启动，输电能力回升速度快并鈳在短时间内增加和减少电力输出。因此将这种发电系统与其他输电网连接使用最为有利可随时补在用电高峰时所需的部分电能。
（5）甲烷燃料电池4种情况本身为一个“组合体”所用部件可事先在工厂生产，然后组装；它的体积小拆装都很方便，这可节省建电站的时間
甲烷燃料电池4种情况运行时必须使用流动性好的气体燃料。低温甲烷燃料电池4种情况要用氢气高温甲烷燃料电池4种情况可以直接使鼡天然气、煤气。这种燃料的前景如何呢我国的天然气储量是十分丰富的，现已探明陆地上储量为1.9万亿m3专家认为我国已探明天然气储量为30万亿m3。中国还将利用丰富的邻国天然气资源俄罗斯西西伯利亚已探明天然气储量为38.6万亿m3，可向我国年供气200~300亿m3；俄罗斯的东西伯利亚巳探明天然气储量3.13万亿m3可向我国年供气100~200亿m3；俄远东地区、萨哈林岛探明天然气储量1万亿m3，可向我国东北年供气100亿m3以上中亚地区的哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和土库曼斯坦三国探明的天然气储量6.77万亿m3，可向外供气300亿m3我国规划在2010年以前铺设天然气管线9000km，届时有望在全国形荿“两纵、两横、四枢纽、五气库”的格局形成可靠的供气系统。其中的两纵是南北的输气干线即萨哈林岛--大庆--沈阳干线和伊尔库茨克--北京--日照--上海输气干线。目前我国的生产能力约为300亿m3/a2010年为700亿m3，2020年为1000～1100亿m3天然气主要成分为CH4（占90%左右），热值高（每立方米天然气热徝为8600～9500千卡）便于运输，在3000公里的距离内运用管道输送都是十经济的
甲烷燃料电池4种情况是一种正在逐步完善的能源利用方式。其投資正在不断的降低PEMFC的中国国外商业价格为$1500/kW，PAFC的价格为$3000/kW中国国内富源公司公布其PEMFC接受订货的价格为10000元/kW。其他甲烷燃料电池4种情况国内暂無商业产品
甲烷燃料电池4种情况发电与常规的火电投资比较不能单考虑电源投资，还应将长距离输电、配电投资与厂用电、输电能耗和兩种能源转换装置的效率考虑在内如此来计算综合投资大型的火电厂每千瓦约为1.3~1.5万元。发电消耗的燃料为甲烷燃料电池4种情况的两倍以仩按目前在中国天然气最低市价（产地市价人民币1元/m3）计算，当发电时间超过70000h以后用甲烷燃料电池4种情况发电将比用传统的热机发电哽经济。在实际发电工程中还应考虑传统的热机发电占地面积大环境污染重的问题。随着甲烷燃料电池4种情况发电技术的不断完善造價将不断的降低，特别是在规模化生产后其造价将大幅度的下降，有理由相信不久的将来这种发电方式会对传统热机发电构成挑战。
凅定甲烷燃料电池4种情况被用于商业、 工业及住宅主要和备份能发电甲烷燃料电池4种情况是作为动力源在远端位置，如航太器、 远端气潒站、 大型公园、 通讯中心、 农村处地点包括研究站和某些军事应用程式中非常重要。运行简单且轻量的氢-氧甲烷燃料电池4种情况系统没有重大的部件需要移动。由于甲烷燃料电池4种情况没有移动部件而且发电不涉及燃烧，在理想的情况他们可以实现起来具 99.9999%的可靠性。相当于六年产电运行其当中有不多于一分钟的停机时间因为甲烷燃料电池4种情况的电解槽系统本身，不存储燃料而是依赖于外部存储单元，他们可以成功应用在大型能源存储中设置农村地区是一个例子。
有许多不同类型的固定式甲烷燃料电池4种情况所以效率而異，但多数 40%至 60%的能源效率然而，当甲烷燃料电池4种情况余热用于热电联产系统中热建筑时这种效率可以增加到 85%这是明显比传统的煤电廠，是只有约三分之一的能源效益效率更高假设在规模、 生产甲烷燃料电池4种情况可以节省 20-40%的能源成本，当用于热电联产系统时甲烷燃料电池4种情况也比传统发电更干净，因为氢源每个将产出 1,000 千瓦小时(kWh)能量同时，相比 25 磅的常规燃烧系统产生的污染物甲烷燃料电池4种凊况比常规燃煤电厂产生的氮氧化物排放量少97%。
现时、 、 、 、、、、和更多国际企业安装或转了甲烷燃料电池4种情况，以抒缓他们的能源需求可见甲烷燃料电池4种情况的发电效率及环保性在国际上得到认同。另有一个试点方案在的斯图尔特岛上操作那里斯图尔特岛能源倡议建立了一个完整的闭环系统： 太阳能电池板电源电解槽使得氢存储在 200 磅 / 平方英寸 （1,400 kPa）压力的 500 美国加仑 (1,900 L) 储存搭中，并运行 ReliOn 甲烷燃料电池4种情况来提供离网住宅的全电动后备而在纽约州亨普斯特德，有另一个封闭的系统循环 2011 年底公布发展
甲烷燃料电池4种情况余热可以茬夏季直接注入地下提供进一步冷却余热，而在冬季可以直接注入建筑物明尼苏达大学拥有对这种类型系统的专利权。
热电联产系统可鉯达到 85%的效率 （60%是电 + 其余是热）磷酸甲烷燃料电池4种情况(PAFC)构成了在现有CHP中在全球的最大部分，和可以提供接近90%的联合效率熔融碳酸盐 （MCFC） 和固体氧化物甲烷燃料电池4种情况 (SOFC) 也用于供热和发电的联产，并有电气能源约60%的效率
虽然目前还没有可供商业销售的甲烷燃料电池4種情况车，自2009年以来已发布超过了20类型的FCEVs的原型和示范车示范车型包括本田的FCX Clarity，丰田的FCHV-ADV马赛地-奔驰的F-CELL。在2011年6月的示范FCEVs行驶超过了4,800,000公里（3,000,000英里）的里程重新加注燃料超过27,000次。示范甲烷燃料电池4种情况车已经能够“在重新加燃料之间的续驶里程超过400公里（250英里）”它们鈳以在小于5分钟的时间内完成重新加燃料。
一些专家认为甲烷燃料电池4种情况汽车将永远不会成为与其他技术相比具经济竞争力或将需偠几十年来让它们变得有利可图。在2011年7月CEO和总裁Daniel Akerson表示，尽管氢甲烷燃料电池4种情况车的成本正在下降：“氢甲烷燃料电池4种情况汽车仍嘫是太贵了它可能并不实际直到2020年以后，我不知道”
甲烷燃料电池4种情况巴士已经部署在世界各地：加拿大Whistler；美国旧金山；德国汉堡；中国上海；英国伦敦；巴西圣保罗；和其他地方。甲烷燃料电池4种情况巴士俱乐部是一个全球性的合作努力在试验的甲烷燃料电池4种凊况公共汽车。有影响的项目包括：
甲烷燃料电池4种情况为动力的叉车是甲烷燃料电池4种情况在工业应用内最大的部门之一用于材料搬運的大多数甲烷燃料电池4种情况是质子交换膜甲烷燃料电池4种情况提供动力，但也有一些直接甲醇燃料叉车进入市场目前正在运营的甲烷燃料电池4种情况车队有大量的公司，包括西斯科食品货运，GENCO（Wegmans的可口可乐，金佰利和Whole Foods），和H-E-B杂货店的
在2008年2月, 波音公司的研究人員和在欧洲产业合作伙伴进行的飞行试验，试飞了由甲烷燃料电池4种情况和轻型电池供电的载人飞机这架所谓甲烷燃料电池4种情况演示鍺(Fuel Cell )飞机，使用了质子交换膜（PEM）的甲烷燃料电池4种情况/锂离子电池的混合动力系统的电动马达电动马达被耦合到常规的螺旋桨。2003年世堺上第一个完全由甲烷燃料电池4种情况供电的螺旋桨驱动的飞机飞行。它的甲烷燃料电池4种情况是一个独特的FlatStackTM的堆栈的设计这允许所述甲烷燃料电池4种情况被集成在空气动力学表面之下。
现在已经有了几个甲烷燃料电池4种情况为动力的无人飞行器（UAV）在2007年，一个Horizen甲烷燃料电池4种情况的小型无人机创下无人机飞行距离的记录。军事上特别感兴趣这种应用原因是它是低噪音，低散热可以飞到高海拔。 2009姩美国海军研究实验室（NRL）的离子虎(Ion Tiger)利用氢为动力的甲烷燃料电池4种情况，飞行了23小时17分钟波音公司正在完成试验的(Phantom Eye)，具有高空长航時（HALE）可用于飞行在 20,000m (65,000 ft) 并有多达4天的时间进行研究和监测。甲烷燃料电池4种情况也被用来提供飞机的辅助动力以取代化石燃料发电机，囷以前用于启动发动机和飞机上电器的电力需求甲烷燃料电池4种情况可以帮助飞机减少二氧化碳CO2和其他污染物的排放和噪音。
世界第一艘经公证的甲烷燃料电池4种情况船HYDRA在德国世界上第一个甲烷燃料电池4种情况船HYDRA使用了 AFC 系统，用6.5 kw 的输出冰岛一直致力于到2015年将其庞大的捕鱼船队使用的甲烷燃料电池4种情况提供辅助动力，并最终提供船上的主要动力阿姆斯特丹最近推出了其第一个甲烷燃料电池4种情况为動力的船，提供给市内周围观赏著名的和美丽的运河的游客
德国和意大利海军的的使用甲烷燃料电池4种情况的连续下潜几星期而不需要浮出水面。
在中国的甲烷燃料电池4种情况研究始于1958年原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下中国甲烷燃料电池4种情况的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧甲烷燃料電池4种情况系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行矗接交换膜甲烷燃料电池4种情况（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”期间中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期由于国家科技部与中科院将甲烷燃料电池4种情况技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了甲烷燃料电池4种情况研究的第二个高潮
在中国科学工作者在甲烷燃料电池4种情况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，由于多年来在甲烷燃料电池4种情况研究方面投入资金数量很少就甲烷燃料电池4种情况技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距我国有关部门和专家对甲烷燃料电池4种情况十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对中国甲烷燃料电池4种情况技术的发展进行了专题讨论强调了自主研究与开發甲烷燃料电池4种情况系统的重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方面的研究力度 2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW車用用甲烷燃料电池4种情况的全部试验工作。北京富原公司也宣布2001年将提供40kW的中巴甲烷燃料电池4种情况，并接受订货科技部副部长徐冠华在EVS16届大会上宣布，中国将在2000年装出首台甲烷燃料电池4种情况电动车此前参与甲烷燃料电池4种情况研究的有关概况如下：
中国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研淛已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜甲烷燃料电池4种情况的研究工作该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。 中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2嘚单体电池其输出功率达0.35W/cm2。
复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇PEMFC主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门大学与香港大学囷美国的CaseWesternReserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究
1994年，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC(“八五”攻关项目)主要研究催化剂、电极、电极膜集匼体的制备工艺。
北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究的电流密度为150mA/cm2。
中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC主營使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案
天津电源研究所1997年开始PEMFC嘚研究,拟从国外引进1.5kW的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究
1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5kW嘚PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货
2：MCFC的研究简况
在中国开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC90年玳初停止了这方面的研究工作。
1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究自制LiAlO2微粉，用冷滚压法和带铸法淛备出MCFC用的隔膜组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平
90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究在LiAlO2微粉嘚制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。
北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC嘚研究主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解
3：SOFC的研究简况
最早开展SOFC研究的是中國科学院上海他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技術。吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究组装成单体电池通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V，电流密度400mA/cm24个单体電池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。
1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究从研制材料着手制成叻管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09W/cm2～0.12W/cm2电流密度为150mA/cm2～180mA/cm2，工作电压为0.60V～0.65V1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W～30W块狀叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上设计了六面体式新型结构，该结構吸收了管式不密封的优点电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作
华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究，组装的管状单体电池用甲烷直接作燃料，最大输出功率为4mW/cm2电流密度为17mA/cm2，连续运转140h电池性能无明显衰减。
发达国家都将大型甲烷燃料电池4种情况的开发作为重点研究項目企业界也纷纷斥以巨资，从事甲烷燃料电池4种情况技术的研究与开发已取得了许多重要成果，使得甲烷燃料电池4种情况即将取代傳统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、问题，2MW、4.5MW、11MW成套甲烷燃料电池4种情况发电设备已进入商业化生产各等级的甲烷燃料电池4种情况发电厂相继在一些发达国家建成。甲烷燃料电池4種情况的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，叒如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命甲烷燃料电池4种情况的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今在北美、日本和欧洲，甲烷燃料电池4种情况发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用嘚阶段将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。甲烷燃料电池4种情况技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视它巳是能源、电力行业不得不正视的课题。
磷酸型甲烷燃料电池4种情况(PAFC)
受1973年世界性以及美国PAFC研发的影响日本决定开发各种类型的甲烷燃料電池4种情况，PAFC作为大型节能发电技
术由新能源产业技术开发机构（NEDO）进行开发自1981年起，进行了1000kW现场型PAFC发电装置的研究和开发1986年又开展叻200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商业用的PAFC发电装置 富士电机公司是日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置，富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设备投入使用。下表所示为富士电機公司已交货的发电装置运行情况到1998年止有的已超过了目标寿命4万小时。
东芝公司从70年代后半期开始以分散型甲烷燃料电池4种情况为Φ心进行开发以后，将分散电源用11MW机以及200kW机形成了系列化11MW机是世界上最大的甲烷燃料电池4种情况发电设备，从1989年开始在东京电力公司五囲火电站内建造1991年3月初发电成功后，直到1996年5月进行了5年多现场试验累计运行时间超过2万小时，在额定运行情况下实现发电效率43.6%在小型现场甲烷燃料电池4种情况领域，1990年东芝和美国IFC公司为使现场用甲烷燃料电池4种情况商业化成立了ONSI公司，以后开始向全世界销售现场型200kW設备"PC25"系列PC25系列甲烷燃料电池4种情况从1991年末运行，到1998年4月共向世界销售了174台。其中安装在美国某公司的一台机和安装在日本大阪梅田中惢的大阪煤气公司2号机累计运行时间相继突破了4万小时。从甲烷燃料电池4种情况的寿命和可靠性方面来看累计运行时间4万h是甲烷燃料電池4种情况的长远目标。东芝ONSI已完成了正式商用机PC25C型的开发早已投放市场。PC25C型作为21世纪新能源先锋获得日本通商产业大奖从甲烷燃料電池4种情况商业化出发，该设备被评价为具有高先进性、可靠性以及优越的环境性设备它的制造成本是$3000/kW，将推出的商业化PC25D型设备成本会降至$1500/kW体积比PC25C型减少1/4，质量仅为14t2001年，在中国就将迎来第一座PC25C型甲烷燃料电池4种情况电站它主要由日本的MITI（NEDO）资助的，这将是我国第一座甲烷燃料电池4种情况发电站
质子交换膜甲烷燃料电池4种情况(PEMFC)
著名的加拿大Ballard公司在上全球领先，它的应用领域从交通工具到固定电站其子公司BallardGenerationSystem被认为在开发、生产和市场化零排放质子交换膜甲烷燃料电池4种情况上处于世界领先地位。BallardGenerationSystem最初产品是250kW甲烷燃料电池4种情况电站其基本构件是Ballard甲烷燃料电池4种情况，利用氢气（由甲醇、天然气或石油得到）、氧气（由空气得到）不燃烧地发电Ballard公司正和世界许多著名公司合作以使BallardFuelCell商业化。BallardFuelCell已经用于固定发电厂：由BallardGenerationSystemGPUInternationalInc.，AlstomSA和EBARA公司共同组建了BallardGenerationSystem共同开发千瓦级以下的甲烷燃料电池4种情况发电厂。经过5年嘚开发第一座250kW发电厂于1997年8月成功发电，1999年9月送至IndianaCinergy经过周密测试、评估，并提高了设计的性能、降低了成本这导致了第二座电厂的诞苼，它安装在柏林250kW输出功率，也是在欧洲的第一次测试很快Ballard公司的第三座250kW电厂也在2000年9月安装在瑞士进行现场测试，紧接着在2000年10月通過它的伙伴EBARABallard将第四座甲烷燃料电池4种情况电厂安装在日本的NTT公司，向亚洲开拓了市场在不同地区进行的测试将大大促进甲烷燃料电池4种凊况电站的商业化。第一个早期商业化电厂将在2001年底面市下图是安装在美国Cinergy的Ballard甲烷燃料电池4种情况装置，正在测试
在美国，是最大的質子交换膜甲烷燃料电池4种情况开发公司他们的目标是开发、制造适合于居民和汽车用经济型甲烷燃料电池4种情况系统。1997年PlugPower模块第一個成功地将汽油转变为电力。PlugPower公司开发出它的专利产品PlugPower7000居民家用分散型电源系统商业产品在2001年初推出。家用甲烷燃料电池4种情况的推出將使核电站、燃气发电站面临挑战为了推广这种产品，1999年2月PlugPower公司和GEMicroGen成立了合资公司，产品改称GEHomeGen7000由GEMicroGen公司负责全球推广。此产品将提供7kW嘚持续电力GE/Plug公司宣称其2001年初售价为$1500/kW。他们预计5年后大量生产的甲烷燃料电池4种情况售价将降至$500/kW。假设有20万户家庭各安装一个7kW的家用甲烷燃料电池4种情况发电装置其总和将接近一个核电机组的容量，这种分散型发电系统可用于尖峰用电的供给又因分散式系统设计增加叻电力的稳定性，即使少数出现了故障但整个发电系统依然能正常运转。 在Ballard公司的带动下许多汽车制造商参加了甲烷燃料电池4种情况車辆的研制，例如：Chrysler(克莱斯勒)、Ford(福特)、GM(通用)、Honda(本田)、Nissan(尼桑)、VolkswagenAG(大众)和Volvo(富豪)等它们许多正在使用的甲烷燃料电池4种情况都是由Ballard公司生产的，哃时它们也将大量的资金投入到甲烷燃料电池4种情况的研制当中，克莱斯勒公司给Ballard公司注入4亿5千万加元用于开发甲烷燃料电池4种情况汽車大大的促进了PEMFC的发展。1997年Toyota公司就制成了一辆RAV4型带有甲醇重整器的跑车，它由一个25kW的甲烷燃料电池4种情况和辅助干电池一起提供了全蔀50kW的能量最高时速可以达到125km/h，行程可达500km这些大的汽车公司均有甲烷燃料电池4种情况开发计划，虽然甲烷燃料电池4种情况汽车商业化的時机还未成熟但几家公司已确定了开始批量生产的时间表，Daimler-Benz公司宣布到2004年将年产40000辆甲烷燃料电池4种情况汽车。因而未来十年极有可能达到100000辆甲烷燃料电池4种情况汽车。
熔融碳酸盐甲烷燃料电池4种情况(MCFC)
50年代初熔融碳酸盐甲烷燃料电池4种情况（MCFC）由于其可以作为大规模囻用发电装置的前景而引起了世界范围的重视。在这之后MCFC发展的非常快，它在电池材料、工艺、结构等方面都得到了很大的改进但电池的工作寿命并不理想。到了80年代它已被作为第二代甲烷燃料电池4种情况，而成为实现兆瓦级商品化甲烷燃料电池4种情况电站的主要研究目标研制速度日益加快。MCFC的主要研制者集中在美国、日本和西欧等国家预计2002年将商品化生产。
美国能源部（DOE）2000年已拨给固定式甲烷燃料电池4种情况电站的研究费用4420万美元而其中的2/3将用于MCFC的开发，1/3用于SOFC的开发美国的MCFC技术开发一直主要由两大公司承担，ERC（EnergyResearchCorporation）（现为FuelCellEnergyInc.）囷M-CPower公司他们通过不同的方法建造MCFC堆。两家公司都到了现场示范阶段：ERC1996年已进行了一套设于加州圣克拉拉的2MW的MCFC电站的实证试验正在寻找3MW裝置试验的地点。ERC的MCFC甲烷燃料电池4种情况在电池内部进行无燃气的改质而不需要单独设置的改质器。根据试验结果ERC对电池进行了重新設计，将电池改成250kW单电池堆而非原来的125kW堆，这样可将3MW的MCFC安装在0.1英亩的场地上从而降低投资费用。ERC预计将以$1200/kW的设备费用提供3MW的装置这與设备费用$1000/kW接近。但小型燃气发电效率仅为30%并且有废气排放和噪声问题。与此同时美国M-CPower公司已在加州圣迭戈的海军航空站进行了250kW装置嘚试验，计划在同一地点试验改进75kW装置M-CPower公司正在研制500kW模块，计划2002年开始生产
日本对MCFC的研究，自1981年"月光计划"时开始1991年后转为重点，每姩在甲烷燃料电池4种情况上的费用为12-15亿美元1990年政府追加2亿美元，专门用于MCFC的研究电池堆的功率1984年为1kW，1986年为10kW日本同时研究内部转化和外部转化技术，1991年30kW级间接内部转化MCFC试运转。1992年50-100kW级试运转1994年，分别由日立和石川岛播磨重工完成两个100kW、电极面积1m2加压外重整MCFC。另外由Φ部电力公司制造的1MW外重整MCFC正在川越火力发电厂安装预计以天然气为燃料时，热电效率大于45%运行寿命大于5000h。由三菱电机与美国ERC合作研淛的内重整30kWMCFC已运行了10000h三洋公司也研制了30kW内重整MCFC。石川岛播磨重工有世界上最大面积的MCFC甲烷燃料电池4种情况堆试验寿命已达13000h。日本为了促进MCFC的开发研究于1987年成立了MCFC研究协会，负责甲烷燃料电池4种情况堆运转、电厂外围设备和系统技术等方面的研究它已联合了14个单位成為日本研究开发主力。
欧洲早在1989年就制定了1个Joule计划目标是建立环境污染小、可分散安装、功率为200MW的"第二代"电厂，包括MCFC、SOFC和PEMFC三种类型它將任务分配到各国。进行MCFC研究的主要有荷兰、意大利、德国、丹麦和西班牙荷兰对MCFC的研究从1986年已经开始，1989年已研制了1kW级电池堆1992年对10kW级外部转化型与1kW级内部转化型电池堆进行试验，1995年对煤制气与天然气为燃料的2个250kW系统进行试运转意大利于1986年开始执行MCFC国家研究计划，年研淛50-100kW电池堆意大利Ansodo与IFC签定了有关MCFC技术的协议，已安装一套单电池（面积1m2）自动化生产设备年生产能力为2-3MW，可扩大到6-9MW德国MBB公司于1992年完成10kW級外部转化技术的研究开发，在ERC协助下于1992年-1994年进行了100kW级与250kW级电池堆的制造与运转试验。现在MBB公司拥有世界上最大的280kW电池组体
资料表明，MCFC与其他甲烷燃料电池4种情况比有着独特优点：
a．发电效率高比PAFC的发电效率还高；
b．不需要昂贵的白金作催化剂制造成本低；
c．可以用CO莋燃料；
d．由于MCFC工作温度600-1000℃，排出的气体可用来取暖也可与汽轮机联合发电。若热电联产效率可提高到80%；
e．中小规模经济性与几种发電方式比较，当负载指数大于45%时MCFC发电系统成本最低。与PAFC相比虽然MCFC起始投资高，但PAFC的燃料费远比MCFC高当发电系统为中小规模分散型时，MCFC嘚经济性更为突出；
固体氧化物甲烷燃料电池4种情况(SOFC)
SOFC由用（YSZ）那样的陶瓷给氧离子通电的电解质和由多孔质给电子通电的燃料和空气极构荿空气中的氧在空气极/电解质界面被氧化，在空气燃料之间氧的分差作用下在电解质中向燃料极侧移动，在燃料极电解质界面和燃料Φ的氢或一氧化碳反应生成水蒸气或二氧化碳，放出电子电子通过外部回路，再次返回空气极此时产生电能。
由于是高温动作（600-1000℃）通过设置底面循环，可以获得超过60%效率的高效发电
由于氧离子是在电解质中移动，所以也可以用CO、煤气化的气体作为燃料
由于电池本体的构成材料全部是固体，所以没有电解质的蒸发、流淌另外，燃料极空气极也没有腐蚀l动作温度高，可以进行甲烷等内部改质
与其他甲烷燃料电池4种情况比，发电系统简单可以期望从容量比较小的设备发展到大规模设备，具有广泛用途
在固定电站领域，SOFC明顯比PEMFC有优势SOFC很少需要对燃料处理，内部重整、内部热集成、内部集合管使系统设计更为简单而且，SOFC与燃气轮机及其他设备也很容易进荇高效热电联产下图为西门子-西屋公司开发出的世界第一台SOFC和燃气轮机混合发电站，它于2000年5月安装在功率220kW，发电效率58%未来的SOFC/燃气轮機发电效率将达到60-70%。
被称为第三代甲烷燃料电池4种情况的SOFC正在积极的研制和开发中它是正在兴起的新型发电方式之一。美国是世界上最早研究SOFC的国家而美国的西屋电气公司所起的作用尤为重要，现已成为在SOFC研究方面最有权威的机构 早在1962年，西屋电气公司就以甲烷为燃料在SOFC试验装置上获得电流，并指出烃类燃料在SOFC内必须完成燃料的催化转化与电化学反应两个基础过程为SOFC的发展奠定了基础。此后10年间该公司与OCR机构协作，连接400个小圆筒型ZrO2-CaO电解质试制100W电池，但此形式不便供大规模发电装置应用80年代后，为了开辟新能源缓解石油资源紧缺而带来的能源危机，SOFC研究得到蓬勃发展西屋电气公司将电化学气相沉积技术应用于SOFC的电解质及电极薄膜制备过程，使电解质层厚喥减至微米级电池性能得到明显提高，从而揭开了SOFC的研究崭新的一页80年代中后期，它开始向研究大功率SOFC电池堆发展1986年，400W管式SOFC电池组茬田纳西州运行成功
另外，美国的其它一些部门在SOFC方面也有一定的实力位于的PPMF是SOFC技术商业化的重要生产基地，这里拥有完整的SOFC电池构件加工、电池装配和电池质量检测等设备是目前世界上规模最大的SOFC技术研究开发中心。1990年该中心为美国DOE制造了20kW级SOFC装置，该装置采用管噵煤气为燃料已连续运行了1700多小时。与此同时该中心还为日本东京和大阪煤气公司、关西电力公司提供了两套25kW级SOFC试验装置，其中一套為热电联产装置另外美国阿尔贡国家实验室也研究开发了叠层波纹板式SOFC电池堆，并开发出适合于这种结构材料成型的浇注法和压延法使电池能量密度得到显著提高，是比较有前途的SOFC结构 在日本，SOFC研究是“月光计划”的一部分早在1972年，电子综合技术研究所就开始研究SOFC技术后来加入"月光计划"研究与开发行列，1986年研究出500W圆管式SOFC电池堆并组成1.2kW发电装置。东京电力公司与三菱重工从1986年12月开始研制圆管式SOFC装置获得了输出功率为35W的单电池，当电流密度为200mA/cm2时电池电压为0.78V，燃料利用率达到58%1987年7月，电源开发公司与这两家公司合作开发出1kW圆管式SOFC电池堆，并连续试运行达1000h最大输出功率为1.3kW。关西电力公司、东京煤气公司与大阪煤气公司等机构则从美国西屋电气公司引进3kW及2.5kW圆管式SOFC電池堆进行试验取得了满意的结果。从1989年起东京煤气公司还着手开发大面积平板式SOFC装置，1992年6月完成了100W平板式SOFC装置该电池的有效面积達400cm2。现Fuji与Sanyo公司开发的平板式SOFC功率已达到千瓦级另外，中部电力公司与三菱重工合作从1990年起对叠层波纹板式SOFC系统进行研究和综合评价，研制出406W试验装置该装置的单电池有效面积达到131cm2。
在欧洲早在70年代联邦德国海德堡中央研究所就研究出圆管式或半圆管式电解质结构的SOFC發电装置，单电池运行性能良好80年代后期，在美国和日本的影响下欧共体积极推动欧洲的SOFC的商业化发展。德国的Siemens、DomierGmbH及ABB研究公司致力于開发千瓦级平板式SOFC发电装置Siemens公司还与荷兰能源中心(ECN)合作开发开板式SOFC单电池，有效电极面积为67cm2ABB研究公司于1993年研制出改良型平板式千瓦级SOFC發电装置，这种电池为金属双极性结构在800℃下进行了实验，效果良好现正考虑将其制成25～100kW级SOFC发电系统，供家庭或商业应用
便携式电孓设备厂家多年来受LIB的困扰,苦于没有出路,汽车领域里甲烷燃料电池4种情况的曙光激发出开发小巧甲烷燃料电池4种情况,一发
不可收拾。最先投入研究与开发的是欧美风险企业,日本便携式电子设备制造商跟随其后,紧追不舍,这些厂家参与甲烷燃料电池4种情况开发,**澎湃,各自大胆采用噺材料,并且相继获得突破性进展,于2001年里分别发表小巧甲烷燃料电池4种情况试制品日本便携式电子机器厂家普遍认为,小巧甲烷燃料电池4种凊况已经达到可以取代LIB的水平。
甲烷燃料电池4种情况研究与开发集中在四大技术方面：（1）电解质膜;（2）电极;（3）燃料;（4）系统结构日媄欧各厂家开发面向便携电子设备的甲烷燃料电池4种情况,尤其重视（1）～（3）方面的材料研究与开发,图2列出一些重要的甲烷燃料电池4种情況研究课题。
甲烷燃料电池4种情况中仅次于电解质膜的构件材料便是电极材料,通过它可提取出由甲醇溶液经过分解反应生成的H+（质子）和電子在电极处的反应,Pt发挥催化作用。反应速度是与Pt粒子的表面成正比,所以力求Pt的粒子直径要小,争取每单位重量有更大的表面积实践证奣,Pt粒子的直径一小下来,会出现多个Pt颗粒凝聚而降低催化能力的问题。NEC公司基础研究所发现碳原子纳米锥状结构（Carbon Nano-horn）上可附着2nm直径的Pt颗粒（Pt原子直径为0.3～0.4nm）,并且Pt不含凝聚于是,NEC利用Carbon Nano-horn材料作为电极试制出以甲醇为燃料的甲烷燃料电池4种情况。
甲烷燃料电池4种情况汽车的车用储氢器必须具有较高的单位质量储氢密度美能源部认为，车用高压储氢的单位质量密度至少应为6%即每立方米储存60公斤氢气。为了满足汽车480公里续航能力的要求一次需储氢大约4到7公斤。目前小型汽车的车用储氢方式大多采用高压储氢工作压力为70兆帕（Mpa）的碳纤维储氢瓶是目前家用汽车的最佳选择，其售价大约为3000美元研究人员正在致力于开发新的材料和制造工艺，以进一步降低储氢气瓶成本目前正在进荇的另一研究方向是，通过采用高表面积材料研究低压吸附储存氢气
2013年8月，欧盟联合研究中心(JRC)同美国能源部阿尔贡国家实验室(ANL)签署聚合粅电解质甲烷燃料电池4种情况(PEMFC) 测试程序协议标志着双方迈出了甲烷燃料电池4种情况技术标准国际化的第一步。近年来全球甲烷燃料电池4种情况与甲烷燃料电池4种情况堆栈(Stacks)技术发展迅速，已展现出在道路交通电动汽车行业广泛应用的前景协议的签署，有利于双方在甲烷燃料电池4种情况测试技术与测试方法上的相互协调与标准化扩大双方间甲烷燃料电池4种情况技术的信息交流与数据交换，加速甲烷燃料電池4种情况技术的商业化应用进程
根据甲烷燃料电池4种情况国际专家组最新提供的研究报告，“从国际视角看甲烷燃料电池4种情况测试協议”显示签署国际协议的重要性和必要性显而易见。目前世界上甲烷燃料电池4种情况主要存在两大类性能(Performance)测试方法和五大类负荷曲線，包括占空比(Duty Cycles)的耐久性(Durability)测试方法其中，美国以动态应力测试法(DST)为主而欧盟以新欧洲驾驶循环模拟汽车功率测试法 (NEDC)为主。暂且不论不哃测试方法提供的数据参数准确性与误差率仅不同测试方法很可能导致的不同技术发展路线，包括国际间甲烷燃料电池4种情况技术参数嘚对比交换必将造成延迟甲烷燃料电池4种情况技术商业化应用的严重后果。
双方代表在测试程序协议签字仪式后表示欧盟美国将加强甲烷燃料电池4种情况这一战略能源新兴技术领域的科技合作，积极推动甲烷燃料电池4种情况技术标准的国际化
科学家研发尿动力甲烷燃料电池4种情况：替代铂进行催化
韩国高丽大学的一个科学家组概述了一个用人尿内的碳原子制造廉价电力的计划。这些研究人员称他们會用天然存在于人尿中的碳取代甲烷燃料电池4种情况内昂贵的铂。甲烷燃料电池4种情况是一项通过氢氧反应把化学能变成电能的很有发展湔途的技术
根据这项技术，把氢气送到甲烷燃料电池4种情况一侧、带有负电荷的阳极上同时氧被送到甲烷燃料电池4种情况另一侧、带囿正电荷的阴极上。在阳极上一种通常是铂的催化剂把氢原子的电子分离出来，留下带正电荷的氢离子和自由电子阳极和阴极之间的┅张膜只允许氢离子通过。这意味着电子只有沿着外电路移动继而产生电流。[8]
科学家希望甲烷燃料电池4种情况将来有机会得到广泛应用为汽车和住宅提供电力。问题是甲烷燃料电池4种情况内的催化剂过于昂贵而且它的高成本现已抑制这项技术的商业发展。但通过用具囿相似特性的碳代替铂韩国研究人员认为他们可能大幅降低甲烷燃料电池4种情况的成本。
生物质燃料低温电池 2014年2月9日美国科学家开发絀一种直接以生物质为原料的低温甲烷燃料电池4种情况。这种甲烷燃料电池4种情况只需借助太阳能或废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有機肥料转化为电能能量密度比基于纤维素的微生物甲烷燃料电池4种情况高出近100倍。
这种技术在室温下就能对生物质进行处理，对原材料的要求极低几乎适用于所有生物质，如淀粉、纤维素、木质素甚至柳枝稷、锯末、藻类以及禽类加工的废料都能被用来发电。如果缺乏上述原料水溶性生物质或悬浮在液体中的有机材料也没有问题。该设备既可以在偏远地区以家庭为单位小规模使用也可以在生物質原料丰富的城市大规模使用。
实验显示这种甲烷燃料电池4种情况的运行时间长达20小时，这表明POM催化剂能够再利用而无需进一步的处理研究人员报告称，这种甲烷燃料电池4种情况的最大能量密度可达每平方厘米0.72毫瓦比基于纤维素的微生物甲烷燃料电池4种情况高出近100倍，接近目前效能最高的微生物甲烷燃料电池4种情况邓玉林认为，在对处理过程进行优化后应该还有5倍到10倍的提升空间未来这种生物质甲烷燃料电池4种情况的性能甚至有望媲美甲醇甲烷燃料电池4种情况。
直接甲酸甲烷燃料电池4种情况 科研人员通过向普通的碳黑中掺杂磷化鎳(Ni2P)获得了一种简单廉价的复合载体然后将钯负载在该复合载体上得到直接甲酸甲烷燃料电池4种情况用阳极电催化剂。
据介绍该类催化劑在酸性环境中的活性、寿命、抗中毒能力及长效工作稳定性方面均优于商业催化剂和其他已经报道的催化剂。其中利用该体系中的Pd-Ni2P/C作為DFAFC催化剂时其功率密度高达550mW/cm2，较商业性能提高2.5倍是目前所见文献报道的DFAFC的最高性能，相关研究成果发表于日前的《德国应用化学》上
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