制氢及其在燃料电池中的基础应用研究

1、i海纳百川，大道致远。题目：制氢及其在燃料电池中的基础应用研究专业班级：2013级车辆工程2班学号：姓名：指导教师：2016年11月11日 #制氢及其在燃料电池中的基础应用研究摘要本文首先综述了当前能源现状和形势，并分析了氢能的巨大发展潜力以及氢燃料电池的发展趋势，详细介绍了氢燃料电池系统中氢源的开发和制氢以及氢燃料电池利用等技术领域的最新研究进展和主流研究进展。其次，概述了燃料电池的基本情况，并针对几种不同的燃料电池分析其工作原理以及各种燃料电池的相关研究进展和应用前景。最后，随着氢燃料电池这一环境友好的发电方式在技术上的不断突破，许多其他的关于氢的技术也得到了迅速的发展，并将伴随着氢在燃料

2、电池的发展和应用，一同步入氢能的时代。关键词：氢能；制氢技术；燃料电池。illHydrogenproductionanditsapplicationinfuelcellAbstractInthispaper,thecurrentstatusandsituationofenergyresourcesarereviewed.Thedevelopmentpotentialofhydrogenenergyandthedevelopmenttrendofhydrogenfuelcellareanalyzed.Thedevelopmentofhydrogensourceandtheuseofhydroge

3、nfuelcellinhydrogenfuelcellsystemareintroducedindetailofthelatestresearchprogressandmainstreamresearchprogress.Secondly,thebasicsituationofthefuelcellissummarized,andtheworkingprincipleandtherelatedresearchprogressandapplicationprospectofvariousfuelcellsareanalyzedforseveraldifferentfuelcells.Finall

4、y,withhydrogenfuelcellsasanenvironmentallyfriendlypowergenerationtechnologyinthecontinuousbreakthrough,manyotherhydrogentechnologyhasalsobeenrapiddevelopment,andwillbeaccompaniedbyhydrogeninthedevelopmentandapplicationoffuelcells,asynchronousHydrogenenergyintotheera.Keywords:Hydrogenenergy;hydrogenp

5、roductiontechnology;fuelcell. IV目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 绪论1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1、制氢技术1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1化学制氢技术1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.1.1催化重整制氢技术11.1.2其他化学制氢技术2 HYPERLINK l bookmark38 o Current

6、 Document 2、燃料电池3 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.1燃料电池的分类4 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2.2各种燃料电池的基本原理及其发展现状42.2.1碱性燃料电池42.2.2固体聚合物燃料电池42.2.3磷酸型燃料电池52.2.4熔融碳酸盐燃料电池62.2.5固体氧化物燃料电池6 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 2.2.6其余的燃料电池发展现状7 HYPERLINK l bookmark54 o Current D

7、ocument 3、氢燃料电池改进7 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.1碱性燃料电池(AFC)8 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3.1.1阳极催化剂8 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.1.2阴极催化剂8 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.1.3电解质8 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 3.2质子交换膜燃料电池(PEMFC)8

8、HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 3.2.1质子交换膜8 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 3.2.2阳极催化剂8 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 3.2.3阴极催化剂9 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 3.2.4双极板9 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 4、展望9 HYPERLINK l bookmark76 o Current Docum

9、ent 参考文献10 绪论能源是人类赖以生存和发展的源泉，随着社会经济的发展,已有的能源正在以越来越快的速度消耗，专家预言:包括石油、煤、天然气等在内的矿物质能源将在未来的100200年内耗尽，不仅如此，过度的化石燃料燃烧带来了日益严重的温室效益、环境污染，能源问题已然成为全世界关注的焦点。日益匿乏的化石能源和严重的环境污染问题，也迫使我们寻求新的无污染的可再生能源。其中具有代表性的有风能、潮汐能、太阳能、地热能等可再生能源。然而这些可再生能源发电系统由于运行的间歇性和地处偏远地区，其大规模运用受到了很大的制约。氢能源，作为一种重要的清洁、绿色能源，是最理想的能源，它有别于风能、潮汐能、太阳能

10、、地热能等新型能源，它可直接燃烧。不仅是一种含能体能源，而且它燃烧热量高，无污染，来源广，是煤、石油、天然气等传统能源所无法比拟的，为解决全球面临的能源危机带来了无限曙光。对于氢能的利用来说，氢的规模制备是氢能应用的基础，氢的规模储运是氢能应用的关键，氢燃料电池汽车是氢能应用的主要途径和最佳表现形式。随着科学技术的进步，使氢能源很好的运用于燃料电池中，高效的将氢能转化为电能，使氢能在便携式电源、备用式电源、移动电源方面得到长足发展，为氢能大规模替代矿物能源奠定基础。1、制氢技术在氢源的开发和制氢技术领域有3个方向，分别为化石燃料（石油、煤和天然气）的裂解、电解水和生物制氢。其中，电解水制氢是一

11、种完全清洁的制氢方式，但能耗量较大，在现场制氢方面的应用受到了一些限制。生物制氢法因产氢机理了解得尚不深入，在菌种培育、细菌代谢路径、细菌产氢条件等方面的许多问题还有待研究。因此，目前主要的大规模产氢方式仍是化学制氢。其中催化重整制氢仍然是大规模制氢的主流。11化学制氢技术1.1.1催化重整制氢技术该技术的氢由重整器产生，重整器使用的原料可以是天然气、汽油、柴油等各种烃类以及甲醇、酒精等各种醇类燃料。目前使用的重整技术主要有蒸气重整、部分氧化和催化部分氧化重整、自热重整以及等离子体重整等。不同的重整技术在结构、效率和对燃料的适应性等方面有不同的特点，并在不同的使用条件下发挥出它们各自的优势，蒸

12、气重整是目前使用最广泛的制氢方式。1.1.1.1蒸气重整蒸气重整法制取的氢气含量高，是目前最常用的一种重整制氢方式。采用这种方法，将燃料与水蒸气混后进入重整器，在高温和催化剂的作用下发生重整反应产生氢气，所用的燃料可以是天然气、甲醇、乙醇等轻质碳氢燃料。目前的方法使用镍催化剂。其中天然气是最廉价的蒸汽重整制氢原料，但其成本仍要比从原油制造汽油的成本高2-3倍。目前，正在开展一系列的工作来研究解决如何提高蒸汽重整的效率和制氢成本。目前已经商业化的甲醇重整制氢催化剂多为铜基催化剂，如Cu/Zn/Al2O3CuO/ZnO/Al2O3等o1.1.1.2部分氧化重整部分氧化重整利用燃料在氧气不足的情况下

13、发生氧化还原反应，生成一氧化碳和氢气。该反应是放热反应，因而不需要外来的热源供给，这种反应的温度在6001400C范围内。当反应温度高于1000C时可不用催化剂，低于此温度则一般需使用催化剂。若属于后者，所用的燃料必需在反应前除硫，以避免催化剂中毒失效，部分氧化重整的反应机理很复杂，还经常伴有一些副产物，添加催化剂来控制反应的进程可以减少副反应的发生，从而提高氢气的纯度。该法产物中含有CO且效率比蒸汽重整低。1.1.1.3自热重整由甲醇部分氧化和蒸气重整结合在一起的重整方式，即采用甲醇在线制氢时，可首先进行氧化重整反应。由于反应本身放热，可以实现氢气生产的冷启动，迅速释放氢气，实现即时供给。当

14、系统温度升高以后，采用蒸气重整方式，可使氢气产率迅速提高。由于氧化重整、蒸气重整分别为放热和吸热反应，因此可以互补，从而使体系的热量得到充分利用，达到热平衡。在这一过程中，75%的氢气被收集，剩下25%的氢气则返回重整器，用作燃料来提供热量。而当这一重整方式与PEMFC联用时,PEMFC的尾排氢气也可以返回重整器进行再利用，通过燃烧的方式来提供蒸气重整所需的一部分热量,从而使总的氢气利用率得到大幅度提高。1.1.2其他化学制氢技术1.1.2.1金属置换制氢技术当金属与水或酸反应时，就可以置换出氢气。例如当铝或铝合金在水中被切割或碾碎的时候因新鲜切割的金属表面具有很高的反应活性，可以与水反应产生

15、气泡而持续地释放出氢气。当以燃料电池发动机来驱动轿车的时候，从成本上看，采用金属铝给燃料电池车供氢并不占优势，但这种制氢方法具有安全、可控、反应器简单、成本低、无污染、可回收等特点，使其得到一定的关注。1.1.2.2太阳能制氢技术将太阳能转化为氢能可以形成一种良性循环的能源体系。目前，利用太阳能制氢主要有光解水制氢和氧化物还原制氢两种方式。利用光能分解水必须要有催化剂的参与。该方法还有待解决可见光的利用、催化剂的光腐蚀、能量转化效率不高、存在逆反应9等一些问题。另一种利用太阳能制氢的方法是将金属氧化物还原，再将金属与水反应产生氢气。为解决金属循环使用问题，采用两步反应的回路模式9,由此，以金属

16、的氧化-还原反应为桥梁,利用太阳能还原则既能降低能源消耗，又能减少对环境的污染,从而就可以更好地利用太阳能来产生氢能，实现了太阳能到氢能的转化。1.1.2.3金属氢化物制氢技术具有储氢作用的金属氢化物按结构可分为3类:储氢合金、离子氢化物、配位氢化物。而硼氢化钠是最重要的一种配位硼氢化物，已经有相当成熟的大规模工业生产，其水溶液的稳定性可以由溶液温度和pH值来进行调节。当加入特定催化剂的时候,硼氢化钠可以迅速地发生水解反应，释放出大量高纯度的氢气，采用NaBH4制氢具有以下一些特点:硼氢化钠溶液无可燃性，储运和使用安全；硼氢化钠溶液在空气中可稳定存在数月；制得的氢气纯度高，不需要纯化过程，可直

17、接作为质子交换膜燃料电池的原料；氢的生成速度容易控制；氢的储存效率高，可达7%(质量分数)或74g/L；催化剂和反应产物可以循环使用；在常温甚至0C下便可以生产氢气；无污染；所制得的氢气中不含CO,不会引起电极催化剂中毒；氢气中含有的水分,可以起到给PEWC增湿的作。1.1.2.4生物质制氢这种方法以生物质为制氢原料，采用化学方法,利用亚临界或超临界水强大的溶解力，将生物质中的各种有机物溶解，生成高密度、低粘度的液体，再经高温高压处理，可使生物质气化率接近100%。其中低浓度的生物质更容易气化，为了解决高浓度生物质在气化过程中容易发生分解产物的聚合问题，一般在有少量碱存在的情况下，采用活性炭或

18、Ni催化剂既可以提高生物质的气化率，又不使氢气的产生受到抑制。事实上生物质制氢的氢气产率还是比较低，且由于超临界水具有极强的腐蚀性，这样对生物质制氢设备的材质提出了很高的要求；同时要使超临界水进行气化又必须提供高温高压的反应条件，这些都对生物质制氢的规模应用提出了挑战，还需继续研究。1.2微生物制氢利用微生物在常温常压下进行酸催化反应可制取氢气，目前已有利用碳水化合物发酵取氢的专利，并利用所产生的氢气作为发电的能源.国外已设计一种应用光合作用细菌产氢的优化生物反应器，该法采用各种工业和生活有机废水及农副产品废料为基质进行光合细菌连续培养，在产氢的同时可净化废水，并获得单细胞蛋白，一举三得，很有

19、发展前途。1.3电解水制氢电解水制氢是目前应用范围较广且比较成熟的方法之一。电能可由各种一次能源提供，其中包括核能、太阳能、水能、风能及海洋能等,这些能源都可通过电解水制取氢气，并用氢气作为中间载体来调节、贮存、转化能量，使得能源供应更为灵活方便。供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢，达到储能目的。2、燃料电池燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。但是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发电。除此

20、以外，燃料电池还是一种清洁高效的能源利用方式。发展燃料电池对于改善环境和实现能源可持续发展有重要意义。2.1燃料电池的分类按燃料电池的运行机理可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。按燃料电池工作温度分，有低温型，工作温度低于200C；中温型，工作温度为200750C；高温型，工作温度高于750Co按燃料类型分，有氢气、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然气等气体燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有机液体燃料。有机液体燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。在

21、燃料电池中，磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池可以冷起动和快起动，可以作为移动电源，满足特殊情况的使用要求，更加具有竞争力。2.2各种燃料电池的基本原理及其发展现状2.2.1碱性燃料电池(AlkalineFuelCell，简称AFC)碱性燃料电池在一般在65C100C(或220C)下工作。这种电池是以KOH或NaOH等碱性溶液为电解质，电解液渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中，导电离子为OH-,使用的电催化剂主要是贵金属(如铂、钯、金、银等)和过渡金属(如镍、钻、锰等)或者由它们组成的合金。它设计简单，但不耐CO2,所以原则上它必须采用纯氢和纯氧做为燃料。AFC中的电池反应如下：阳极(负极)：H2

22、+2OH-f2H2O+2e-阴极(正极)：O2+H20+2e-f2OH-电池反应：H2+%H2O在电解液中，在阳极OH-离子失去电子产生水，水分子迁移到阴极稀释了电解液降低了电池的电导率，因此使电池的性能退化。针对这个问题，有两种解决方法：一是循环电解液，随着水的蒸发热量也散失；另一种是循环氢气，可将水蒸气带走。发展现状：以氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池是最早获得实际应用的，美国的阿波罗登月飞船和航天飞机等都采用这类燃料电池作为主要动力源，证明了燃料电池的高效、高比能量、高可靠性。目前，此类燃料电池技术的发展已非常成熟并已经在航天飞行及潜艇中成功应用。国内已研制出200W氨一空气的碱性燃料电池

23、系统，制成了1kW、10kW、20kW的碱性燃料电池。碱性燃料电池在地面应用的最大缺点是对燃料纯度要求太高而且不能使用含C、CO及CO2的燃料气，使用空气也必须脱除空气中的CO2，从而限制了AFC在地面上的应用。2.2.2固体聚合物燃料电池(SolidPolymerFuelCell简称SPFC)又称质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell简称PEMFC)固体聚合物燃料电池一般在在25C120C下工作，就设计和运行来说,SPFC是最精致的燃料电池。SPFC中的电池反应如下：阳极：H?f2H+2e-阴极：O?+2H+2e-fH2O电池反应：H?+%O?fH?

24、O在电池里，质子在电解质中传导电子。从目前的技术水平看，最好的电解质材料是高氟磺酸型质子交换膜。用于SPFC的理想的聚合物具有如下的特性：高抗氧化性、高质子电导率、高化学稳定性、高机械强度和低的密度。这些聚合物是被完全氟化的，有与聚四氟乙烯相似的主干结构。历史上SPFC有许多称谓，包括离子交换膜(IEM)、固体聚合物电解质(SPE)和质子交换膜(PEM)。其中，直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通常称为直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell简称DMFC)。DMFC的电池反应如下：阳极：CH3OH+H?OfC0?+6H+2e-阴极：3/?0+6H+6e-f3H?O电池反

25、应：CH3OH+3/?O2fC0?+3H?O发展现状：PEMFC能量转换效率高，可以在室温下快速启动，并且无电解水流失、寿命长，可按负载要求快速改变输出功率，可以用于建设分散电站，也特别是以用作可移动电源，是电动车和不依赖空气推进的潜艇动力源，也是利用氯碱厂副产物氢气发电的最佳候选电源。美国于20世纪60年代就将PEMFC用于双子星座航天飞机，1999年，美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司分别研制出质子交换膜燃料电池电动汽车。我国在2008年北京奥运会和2010年上海世博会都使用了燃料电池汽车组成“绿色车队”，为交通提供了便利，展示了中国燃料电池技术的进步。燃料电池车具有燃料电池的所有优点，并

26、且不使用石油作燃料，对环境无污染，具有很大的发展前景，但仍需克服造价偏高的难题才有可能广泛应用。2.2.3磷酸型燃料电池(PhosphoricAcidFuelCell，简称PAFC)磷酸型燃料电池一般在180C210C下工作，其电池反应与SPFC的电池反应相同。PAFC以磷酸作为电解液，盛在SiC制成的多孔基体中。磷酸作为电解质相对于其他酸的优点在于：耐CO?、耐低压、高温下可工作且有下良好的离子导电率、腐蚀率低、与电极的大的接触角。对SiC基体材料的要求是：对酸有较高的吸附力；绝缘体；隔绝反应气体；咼的热导率；咼温化学稳定性；机械强度咼。发展现状：以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有近百

27、台PC25(200kW)作为分散电站在世界各地运行。不但为燃料电池电站运行取得了丰富的经验，而且也证明了燃料电池的高度可靠性，可以用作不间断电源。PAFC目前在城市发电、供气及其它工业项目上广为试用，如在宾馆、医院、办公楼、工厂等地方用PAFC来进行辅助供热供电。还有一种采用生物气体的PAFC体系已被开发出来，而在废弃物质的处理方面，含有甲烷的沼气或其他有机气体已经被利用。大规模利用生物沼气的PAFC可望在将来应用于垃圾回收领域，解决一大社会难题。2.2.4熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell，简称MCFC）典型的MCFC是在1至10个大气压、大约650C下工作，

28、被称为第二代燃料电池。MCFC采用多孔Ni（或Al）作阳极，多孔Li掺杂的NiO作阴极，熔融的碳酸盐（62%Li2O338%K3）作电解质，并加入LiAlO2做稳定剂。燃料是出和CO的混合物，氧化剂是。2和CO2的混合物。由于H2和CO2的电化学特性，碳酸盐是唯一能够保持MCFC工作的电解质。MCFC中的电池反应如下：阳极：H?+CO32-fH2O+CO2+2e-（CO+CO32-f2CO2+2e-）阴极：。2+CO2+2e-fCO32-电池反应：H2+%O2fH2O（CO+%O2fCO2）熔融的碳酸盐有很强的腐蚀性。由于在气压减小的状况下工作，阳极比阴极具有更负的电位，因此阳极材料多孔Ni的

29、结构是电化学稳定的。而阴极材料NiO在碳酸盐中有轻微的溶解，其溶解物在电解质中扩散并移动到Ni阳极。由于相对负电位，从NiO中溶解的Ni将电解淀积到电解质基板上，产生电子电导和因此发生电池的短路容易降低电池的寿命。CO2的分压和电解质的碱性影响NiO的溶解，为了解决此问题，正在开发替代NiO的阴极材料。发展现状：熔融碳酸盐燃料电池可采用净化煤气或天然气做燃料，适宜于建造区域性分散电站。美国是从事熔融碳酸盐燃料电池最早和技术高度发展的国家之一，其研制开发的MCFC电站已在全球装机60余台，主要用于医院、宾馆、大学及废水处理厂等场所示范发电。MCFC操作温度较高，可以实现热电联供与汽轮机联合循环发

30、电，进一步提高燃料的能量转化效率。研究表明，成本和寿命是影响MCFC的主要障碍，阴极溶解、阳极蠕变、高温腐蚀和电解质损失是主要影响因素。因此，研制新的电极材料，改进密封技术将是今后一段时期的研究关键。2.2.5固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称SOFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）是全固体装置，又称高温燃料电池，一般在600C1000C下工作。电解质采用ZrO2+Y2O3，阳极为Ni+ZrO?（或Y2O3），阴极为La/SrMnO3o与其它类型的燃料电池的化学反应发生在气液固三相区不同，SOFC的电化学反应是发生在气固两相区，不存在电解质的腐蚀问题。两个多孔陶瓷电

31、极被致密的氧离子导体的陶瓷电解质分开。在阳极，燃料气体個2和CO）进入阳极与氧离子反应生成水并释放出电子进入外电路。在阴极，空气中的氧气从外电路接受电子形成氧离子。电子从阳极经外电路输送到阴极，从而产生直流电。SOFC中的电池反应如下：阳极：H2+O2-fH2O+2e-（CO+O?fCO2+2e-）(CH4+402fH幻+CO2+8e-)阴极：。2+2e-f02-电池反应：H2+%02fH2O(CO+%02fCO2)(CH4+202f2H2O+C02)引人注意的是SOFC可以使用多种燃料作为原料气，如H2、CO和CH4。根据电解质是氧离子导体还是质子导体，将SOFC分为两类。这两类电池的主要区

32、别在于燃料电化学反应过程中生成水的区域相异，质子导体燃料电池在阴极侧生成水，而氧离子导体燃料电池在阳极侧生成水。一般只考虑固体氧离子导体作为电解质。发展现状：固体氧化物燃料电池可以与煤的气化构成联合循环，适宜于建造大中型电站。国对SOFC的研究处于世界领先地位，自2000年以来，西屋公司已建成多台大型lOOkW250kW固体氧化物燃料电池电站进行试验运行。SOFC电站，以阴极作支撑的管式SOFC机械强度高，热循环性能好，易于组装与管理。但现有的技术如电化学气相沉积和多次高温烧结等导致阴极支撑型SOFC电池成本过高、难以推广。借助廉价的湿化学法、等离子喷涂等技术替代电化学气相沉积制备电解质薄膜，

33、并运用改进烧结工艺、减少烧结次数等手段，有望达到大幅度降低阴极支撑管型SOFC成本的目的。2.2.6其余的燃料电池发展现状除上述5种外，燃料电池还有其他类型，例如生物燃料电池。其研究热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或人工心脏等人造器官电源的生物燃料电池。这种电池多是以葡萄糖为燃料，氧气为氧化剂的酶燃料电池。正当研究取得进展的时候，另一种可植入人体的锂碘电池的研究取得了突破，并很快应用于医学临床。3、氢燃料电池改进氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳

34、极。氢燃料电池的基本结构和基本燃料电池的结构相同包括：电极、电解质隔膜与集电器等。电极是燃料氧化和还原的电化学反应发生的场所，可分成阴极与阳极两部分。电解质隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂并同时传导离子。燃料电池按电解质不同主要分为:碱性燃料电池(AlkalineFuelCell,AFC)、磷酸燃料电池(PhosphoricAcidFuelCell,PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonateFuelCell,MCFC)、固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell,SOFC)、质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEM

35、FC)。其中，AFC及PEMFC为直接以氢为燃料的氢燃料电池，其各有优缺点，AFC启动快，可以常温常压下工作但需要纯氧，成本很高，而PEMFC具有以空气为氧化剂，在室温下工作，启动速度快，并且以固体为电解质，目前PEMFC是汽车公司最喜欢使用的一类燃料电池，他们正尝试用它取代内燃机。但其对CO很敏感，反应物需要加湿且价格昂贵。3.1碱性燃料电池（AFC）3.1.1阳极催化剂为了降低成本，增大氢与催化剂的接触面积，通常把Pt、Pd等贵重金属分散到碳表面，这样不仅可以使活性表面积增大，同时碳载体还可以为反应物提供物质传输通道，增大散热表面积，提高贵金属的热稳定性。为了提高催化剂的电催化活性以及抗C

36、O中毒能力，通常向Pt中加入第二、第三组分金属，如PtAg、RtRh等二元及IrPtAu、PtPdNi等三元合金催化剂都表现出较好的氢电氧化催化活性，并且降低了电极中的贵重金属含量。3.1.2阴极催化剂在现代的氢燃料电池中，阳极动力学问题容易解决。最大的损失发生在阴极。传统的纯Pt催化剂的氧化还原活性低，催化剂的使用量大，故需研制新的高性能阴极催化剂，现已研究发现组成最佳化的Pt一Wi、Pt一CO、Pt一Fe合金。其氧化还原活性为单一Pt催化剂的1020倍，是极有开发前途的阴极催化剂材料。德国柏林工业大学研究人员与美国科学家共同研发出一种新型铂合金，以它作为催化剂可将氢燃料电池的成本降低80%

37、。3.1.3电解质近年来，有人尝试将阴离子固体聚合物电解质应用在碱性燃料电池中。法国工业实验室科研人员制备了一种含有嵌段共聚物聚环氧乙烯的固体聚合物电解质。这个方向能够解决电解质泄漏等问题。3.2质子交换膜燃料电池（PEMFC）3.2.1质子交换膜质子交换膜（PEM）是MEA的核心部件，根据MEA的特点，高效率的PEM应满足如下基本要求：（1）较长使用寿命；（2）较低制造成本；（3）较高的质子电导率和电子绝缘性；（4）良好的力学性能；（5）热稳定性和化学稳定性高；（6）100度以上仍有较高的含水量和电导率。目前使用的PEM几乎都是美国杜邦公司的Nafion系列膜。尽管该膜具有一些优良的特性，但是其成本过高、高温性能差、甲醇渗透性大必然预示者需要开发出新的PEM。质子交换膜以后发展的方向为：（1）将材料的改性与膜形态的改性相结合,在增加质子传导性的同时，提高膜的稳定性；（2）改变膜的质子传导性，提高膜在高温下的质子传导性，开发高温质子交换膜燃料电池；（3）开发新材料、改进制备工艺，大幅降低质子交换膜成本，从而进一步质子交换膜燃料电池成本。3.2.2阳极催化剂碳