全球范围内的能源危机以及环境污染更加凸显了人们寻找新的清洁能源的努力。作为清洁能源的燃料电池备受关注。经过几十年的发展，燃料电池技术日趋成熟，各主要公司都相继宣布推出燃料电池的时间计划表，包括燃料电池汽车，笔记本计算机用燃料电池，手机燃料电池，UPS电源等，其范围涵盖瓦级至千瓦级、兆瓦级的燃料电池。在这样的研究背景下，本文工作建立了广东省第一个燃料电池的小型生产基地，搭建了燃料电池应用性研究平台，其目的是研究小型氢空燃料电池。建立生产基地后，设计并组装了200W的燃料电池，完成100W样品电堆的测试，测试结果表明电池性能达到设计要求。 根据便携式燃料电池的特点，本工作设计一种新型矩阵通孔组合流道阴极流场板结构，由于孔内孔外气体流速不同，基本解决了燃料电池散热与反应气需求量之间的矛盾，充分利用反应生成的水，使电池在大气体流量下稳定工作，该项工作已申请发明专利。按照新型流场板的设计，组装了15W、25W、50W电池堆，测试结果表明电池性能达到设计要求。 本工作进行了无极板紧凑型燃料电池的基础研究。传统燃料电池中的双极板占电池成本的60％以上，并且也是构成燃料电池体积和重量的主要部分(80％以上)。在电池的结构中不再采用双极板意味着可以获得更小更轻的紧凑型燃料电池，提高燃料电池的体积比功率，重量比功率。本文表明阴极和阳极电极的增水性差异增强了电极对氧还原和醇氧化反应的选择性，即使在没有明显选择性催化剂的条件下，混合物燃料电池仍然能够获得较高的功率输出。当采用0.5M乙醇和2M氢氧化钾混合溶液与氧气混合作为混合燃料，组装的三片MEAs无双极板电池堆测试结果表明在室温条件下单电池即可获得10mWcm-2的功率输出。由于还没有采用选择性催化剂以及电极结构也没有优化，这样的结果是非常吸引人的。 氢空型燃料电池除燃料电池本身的技术难题外，目前的主要困难是氢气的制备、储存和运输，它在很大程度上制约了燃料电池商业化发展的进度。直接甲醇燃料电池由于系统简单，液体燃料比能量高，易于储存运输，成为研究的热点。本文完成了一种直接甲醇燃料电池堆的设计，具体组装了5瓦、20瓦、100瓦燃料电池堆，电池性能达到设计要求。 基于小型燃料电池无外加湿装置的考虑，本工作重点研制了自保湿质子交换膜，采用两种方法制备出均匀分布纳米二氧化硅的有机无机复合膜，一种方法是极性溶剂二甲基甲酰胺全氟磺酸树脂溶液与商业二氧化硅溶胶共混流延成膜，另一种方法是利用正硅酸乙酯作为前驱体在成膜过程中通过溶胶—凝胶反应原位生成二氧化硅。电镜图片显示两种方法制备的复合膜中二氧化硅都没有明显颗粒结构，EDX结果显示二氧化硅均匀分布在膜内，但采用二氧化硅溶胶制备的复合膜在膜的一侧硅含量较高。所制备复合膜的电导率随二氧化硅添加量的增加，电导率略有上升，而含15wt％SiO2由硅溶胶制备的复合膜，其电导率达到0.111Scm-1。DSC测试结果表明复合膜的最大失水温度较本体树脂的最大失水温度高，可以说明复合膜具有更好的保持水分的能力，表现出更好的保湿性。全电池性能测试表明采用硅溶胶制备的复合膜做电解质，电池性能更好，并且在无加湿的条件下电池能在更宽的温度范围内稳定运行。