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燃料电池因清洁、高效等优点,被认为未来重要候选电源之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有功率密度大、能量转化率高、启动速度快、电池寿命长、结构紧凑等优点被认为是未来电动汽车的最佳候选电源。最近二十年PEMFC得到了迅猛发展,但其催化剂必须使用贵金属Pt,成为其商业化进程主要障碍之一。碱性聚合物电解质燃料电池(APEFC)融合了PEMFC与碱性燃料电池(AFC)的优点,结构紧凑且无液态电解质引起的问题,同时又可使用非贵金属催化剂。近年来,APEFC的研究成为国际燃料电池界的一个热点。本论文工作的目标是探索完全不使用Pt催化剂的聚合物电解质燃料电池。通过对若干种非Pt与非贵金属催化剂的研究,成功实现了非Pt催化剂PEMFC与非贵金属催化剂APEFC两类电池原型。主要研究进展如下：一、非Pt催化剂PEMFC研究由于PEMFC的强酸性腐蚀环境,一般只有贵金属催化剂才能稳定存在。Pd在地球上的资源是Pt的40倍,价格约为Pt的1/4。若Pd能取代Pt成为PEMFC催化剂,对PEMFC技术的发展至少是一个阶段性的进步。本文通过Pd与过渡金属形成合金,调变Pd的电子结构,提高了其氧还原与氢氧化催化活性。最后全部采用Pd合金催化剂组装PEMFC。主要工作内容及结论如下：1.采用浸渍法制备了一系列不同合金度的PdAu/C、PdNi/C、PdCu/C催化剂,并对其进行了XRD和电化学表征。在所制备的各种Pd合金催化剂中,Pd90Cu10/C表现出对催化氧还原反应的最高质量比活性；而对于氢氧化反应,Pd85Ni15/C与PdgoCu2o/C均表现出较高的催化活性,考虑到PdCu催化剂的合成更加可控,因此在装配电池时我们选择Pd80Cu2o/C作为阳极催化剂。2.本研究首次成功组装出两类全Pd催化剂PEMFC:一类为阴阳极均使用Pd/C催化剂的PEMFC,其最高功率密度为178mW/cm2;另一类为阴阳极均使用PdCu合金催化剂的PEMFC,其最高功率密度为204mW/cm2.电池稳定运行超过100小时,实现了非Pt催化剂PEMFC电池原型的研究目标。二、非贵金属APEFC研究APEFC由于避免了PEMFC的强酸性腐蚀环境,因此可使用非贵金属催化剂。在碱性条件下可作为氧还原的非贵金属催化剂较多。本文选择氧还原活性及稳定性都较好的M-Nx/C催化剂作为APEFC的阴极催化剂。在碱性条件下可作为氢氧化的非贵金属催化剂较少且存在各种缺陷,急需找新型的阳极非贵金属催化剂。本文通过一系列探索,制备出一种新型的阳极非贵金属催化剂,即Ni-W复合催化剂。最后全部采用自制的非贵金属催化剂组装成APEFC.主要工作内容及结论如下：1. APEFC非贵金属阴极催化剂研究探讨了不同过渡金属为配位中心、不同含氮导电聚合物为配体以及不同载体对催化剂氧还原性能的影响,研究表明Co-PPY-BP2000的性能最优,其氧还原催化过程基本按4电子途径进行。对Co-PPY-BP2000的制备过程涉及的各项工艺指标进行了全面优化。2. APEFC非贵金属阳极催化剂研究以NiWO4为前体,制备了氢氧化催化活性及稳定性都较好的Ni-W复合催化剂。通过对催化剂的结构与组成进行分析发现,催化活性物质为Ni,W的加入起到调节了Ni电子结构的作用,提高了其抗氧化能力。催化HOR的表观活化能为17.95kJ/mol,远小于其它Ni基催化剂。3.非贵金属催化剂APEFC研究先以Pt/C为催化剂探索APEFC工作条件,单电池在75℃工作时最高功率密度达265mW/cm2.分别以自制的Co-PPY-BP2000和Ni-W为阴、阳极催化剂,组装APEFC单电池,70℃下最高功率密度为40mW/cm2。初步实现了非贵金属催化剂APEFC的研究目标。