CN101041137B - 燃料电池的阴极催化剂以及包括它的膜电极组件和燃料电池系统 - Google Patents
燃料电池的阴极催化剂以及包括它的膜电极组件和燃料电池系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及燃料电池的阴极催化剂，以及包含它的用于燃料电池的膜电极组件和燃料电池系统。该燃料电池的阴极催化剂包括A-B-S，其中A选自从Ru、Rh及其组合，B选自W、Mo及其组合，及A-B-S具有纳米线形状。由于本发明的燃料电池的阴极催化剂对氧化剂还原反应具有优异的活性和选择性，所以它可以包括该阴极催化剂的提高膜电极组件以及燃料电池系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的阴极催化剂，以及包含它的燃料电池膜电极组件和燃料电池系统。更具体地，本发明涉及对氧化剂的还原反应具有高活性并且能够提高燃料电池膜电极组件性能的阴极催化剂，以及包含它的膜电极组件和燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一种发电系统，其通过氧化剂与诸如烃基材料(如甲醇、乙醇、天然气)等燃料中的氢的电化学氧化还原反应而产生电能。
具有代表性的燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和直接氧化燃料电池(DOFC)。所述直接氧化燃料电池包括利用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池。
聚合物电解质膜燃料电池具有高能量密度的优点，但是它仍存在下述问题，即需要小心处置氢气，并且需要额外的设备，例如用于重整甲烷、甲醇、天然气等以产生用作燃料气体的氢的燃料重整处理器。
相反，直接氧化燃料电池具有比聚合物电解质膜燃料电池低的能量密度，但是它却具有如下优点：燃料易于处置；因其工作温度低，故可以在室温下工作；及不需要额外的燃料重整处理器。
在上述燃料电池中，用于发电的电池堆基本包括几个至许多个堆叠成多层的单元电池，每个单元电池由膜电极组件(MEA)和隔板(也称为双极性板)构成。所述膜电极组件具有彼此以电解质膜连接在一起的阳极(也称为燃料电极或氧化电极)和阴极(也称为空气电极或还原电极)。
燃料提供给阳极并吸收在阳极催化剂中，而且燃料被氧化，产生质子和电子。所述电子通过外部电路传输到阴极，及质子通过聚合物电解质膜传送到阴极。氧化剂提供给阴极，而且氧化剂、质子和电子在阴极催化剂上发生反应，并一起产生电和水。
背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景技术的理解，因此应当理解的是，上述信息可能包含不构成为本国的本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的阴极催化剂及一种改进的燃料电池。
本发明的另一个目的是提供一种对氧化剂的还原反应具有优异活性和选择性的阴极催化剂。
本发明的实施方案之一提供一种用于燃料电池的对氧化剂的还原反应具有优异活性和选择性的阴极催化剂。本发明的另一实施方案提供一种包含所述阴极催化剂的燃料电池膜电极组件。本发明的再一实施方案提供一种包括所述燃料电池膜电极组件的燃料电池系统。根据本发明的一个方面，用于燃料电池的阴极催化剂包括A-B-S，其中A选自Ru、Rh及其组合，B选自W、Mo及其组合，及A-B-S具有纳米线形状。
根据本发明的另一方面，提供一种用于燃料电池的膜电极组件，其包括彼此相向的阴极和阳极以及介于它们之间的聚合物电解质膜。所述阳极和阴极包括导电性电极基底和形成于其上的催化剂层。所述催化剂层包含上述的阴极催化剂。
根据本发明的又一方面，提供一种燃料电池系统，包括：发电元件，该发电元件包括膜电极组件和位于膜电极组件每一侧的隔板；向发电元件提供燃料的燃料供应器；及向发电元件提供氧化剂的氧化剂供应器。
根据本发明的再一方面，提供一种制备燃料电池的阴极催化剂的方法，该方法包括：通过将A原料、B原料和S原料与表面活性剂混合，制备第一乳剂，其中所述A原料是包含选自Ru、Rh及其组合的元素的水溶性盐，所述B原料是包含选自Mo、W及其组合的元素的水溶性盐，及所述S原料包含硫；通过混合表面活性剂和乳化剂，制备第二乳剂；混合并加热第一乳剂和第二乳剂；冷却第一乳剂和第二乳剂的热混合物；过滤该混合物，得到沉淀物；及干燥该沉淀物，得到具有纳米线形状的A-B-S。
附图说明
通过结合附图参考以下具体说明，由于可以更好地理解，所以对本发明的更全面的了解及与之相伴随的很多优点将是显而易见的，附图中相似的附图标记表示相同或相似的元件，其中：
图1是根据本发明实施方案的膜电极组件的截面示意图；及
图2是根据本发明另一实施方案的燃料电池系统的结构的示意图。
具体实施方式
燃料电池是一种通过燃料的氧化和氧化剂的还原而产生电能的发电系统。燃料的氧化发生在阳极，而氧化剂的还原则发生在阴极。
所述阳极和阴极各自包括催化剂层，该催化剂层包含促进燃料氧化和氧化剂还原的催化剂。用于阳极催化剂层的催化剂(也称为阳极催化剂)的实例包括铂-钌，而用于阴极催化剂层的催化剂(也称为阴极催化剂)的实例可以包括铂。
然而，作为阴极催化剂的铂具有氧化剂还原能力差的问题。它在直接氧化燃料电池中还可能被通过电解质膜渗透至阴极的燃料去极化，从而变得没有活性。因此，人们已经更多地关注能够代替铂的其它催化剂。
根据本发明的实施方案，燃料电池的阴极催化剂包括A-B-S(这里，A选自Ru、Rh及其组合，B选自W、Mo及其组合，及S为硫)。所述A-B-S具有纳米线的形状。
催化剂的A包括Ru或Rh，其对于氧化剂的还原具有高催化活性。然而，空气中的氧气易于吸附在Ru或Rh上，从而封锁Ru或Rh的活性中心，导致氧化剂的还原恶化。
因此，所述S通过阻止空气中的氧气接近Ru或Rh而起到促进燃料氧化和抑制氧化剂还原的作用。
B包括W或Mo，其为具有多氧化数的元素。当利用A和S形成催化剂时，W或Mo的作用是提高催化剂对于氧化剂还原的活性和选择性。
因此，根据本发明实施方案的阴极催化剂对于氧化剂的还原具有高活性和优异的选择性，因而即使在燃料渗透至阴极时也能保持阴极的性能。
相对于A-B-S中所有元素的总原子数，阴极催化剂可以包含50～70原子％的A，20～25原子％的B，及5～30原子％的S，更优选的是，55～65原子％的A，22～24原子％的B，及10～25原子％的S。
在所形成的A-B-S催化剂中，当A的含量大于70原子％时，它会降低选择性，而当其含量小于50原子％时，它会削弱活性。另外，当B的含量大于25原子％时，它会导致催化剂颗粒具有大的尺寸，而当B的含量小于20原子％时，它会削弱催化剂的活性。
同样，当S的含量大于30原子％时，它会削弱催化剂的活性，而当S的含量小于5原子％时，催化剂会变得没有选择性。
所述A-B-S具有纳米线的形状。由于纳米线具有高表面能，所以A-B-S能具有高活性。另外，由于纳米线具有高比表面积，所以A-B-S可以使氧化剂的还原更容易，并且可以未担载在担体上的非担载状态(black state)使用。因此，根据本发明实施方案的阴极催化剂可具有较理想的比表面积，优选为20～150m2/g，更优选为100～150m2/g。阴极催化剂的比表面积越大，其活性就越大。当阴极催化剂具有小于20m2/g的比表面积时，其对催化活性的提高影响很小。
下文中，将说明根据本发明实施方案的阴极催化剂的制备方法。
首先，将原料(可以是A、B和S)与表面活性剂混和，制备第一乳剂。
所加入的用于制备第一乳剂的表面活性剂可包括C33H60O10.5(商标名Triton X-100)等。对表面活性剂的用量没有具体的限制，但是优选其为原料总体积(total volume)的30～70％。
将原料按照前述的A-B-S组成比例适当地混合。A原料可包括含有选自Rh、Ru及其组合的元素的水溶性盐。例如，当选择Ru时，可以使用Ru(CH3COO)3作为原料，而选择Rh时，则可以使用H2RhCl4作为原料。接着，B原料可包括含有选自Mo、W及其组合的元素的水溶性盐。例如，当选择Mo时，可以使用Mo(CO)6作为原料，而选择W时，则可以使用W(CH3COO)3作为原料。所述S原料可代表性地包括CH3CSNH2。
然后，通过混合表面活性剂和乳化剂，单独制备第二乳液。
为了制备前述乳液而加入的表面活性剂可以包括C33H60O10.5(产品名称：Triton X-100)等。对表面活性剂的量没有具体的限制，但是优选其加入量为原料总体积的30～70％。
所述乳化剂可以包括C6H12(环己烷)等，但并不限于此。
单独制备第一和第二乳液的原因是为了控制催化剂的纳米线的长度和厚度。
将所制备的第一和第二乳液混合，加热到50～80℃，然后在该温度范围内保持4～8小时。在该过程中，混合物慢慢变成灰色。当颜色停止变化时，停止加热，并将该混合物冷却到室温。
随后，通过过滤该混合物得到沉淀物，以及洗涤和干燥滤得的沉淀物，可制得纳米线形状的A-B-S。
本发明还提供包含所述用于燃料电池的阴极催化剂的燃料电池膜电极组件。
图1是根据本发明实施方案的膜电极组件131的截面示意图。下文中，将参照附图更详细地说明根据本发明实施方案的膜电极组件131。
根据本发明实施方案的膜电极组件包括彼此相向的阳极3和阴极5以及介于其间的聚合物电解质膜1。阳极3和阴极5各自包括由导电基底31和51形成的电极基底以及形成在电极基底上的催化剂层33和55。
膜电极组件131通过燃料的氧化和氧化剂的还原产生电能。一个或多个膜电极组件以电池堆的形式相连。
氧化剂在阴极的催化剂层53处被还原，其包含根据本发明实施方案的阴极催化剂。对于氧化剂的还原，该阴极催化剂具有优异的选择性以及优异的活性，因而可以提高包含该阴极催化剂的阴极5以及膜电极组件131的性能。
燃料在阳极3的催化剂层33处被氧化，其包含能够催化燃料的氧化反应的催化剂。该催化剂可以是现有技术中常用的铂-基催化剂。该铂-基催化剂包括铂，钌，锇，铂-钌合金，铂-锇合金，铂-钯合金，铂-M合金，及其混合物，其中M是选自下列的过渡元素：Ga，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Sn，Mo，W，Rh，Ru，及其组合。代表性的阳极催化剂的实例包括选自下列中的至少一种：Pt，Pt/Ru，Pt/W，Pt/Ni，Pt/Sn，Pt/Mo，Pt/Pd，Pt/Fe，Pt/Cr，Pt/Co，Pt/Ru/W，Pt/Ru/Mo，Pt/Ru/V，Pt/Fe/Co，Pt/Ru/Rh/Ni，Pt/Ru/Sn/W，及其组合。
这类金属催化剂可以金属自身的形式(黑催化剂)使用，也可以担载在担体上的形式使用。所述担体可以包含诸如乙炔黑、丹喀(denka)碳黑、活性碳、科琴(ketjen)碳黑、石墨等的碳，或者诸如氧化铝、氧化硅、氧化锆、二氧化钛等的无机颗粒。现有技术中常采用碳。
所述催化剂层可以进一步包含粘合剂树脂以提高其粘合力和质子传递。
该粘合剂树脂可以是侧链具有选自下列的阳离子交换基团的质子导电性聚合物树脂：磺酸基，羧酸基，磷酸基，膦酸基，及其衍生物。该粘合剂树脂的非限定性实例包括至少一种选自下列的质子导电聚合物：氟基聚合物，苯并咪唑基聚合物，聚酰亚胺基聚合物，聚醚酰亚胺基聚合物，聚苯硫醚基聚合物，聚砜基聚合物，聚醚砜基聚合物，聚醚酮基聚合物，聚醚-醚酮基聚合物，及聚苯基喹喔啉基聚合物。在优选的实施方案中，该质子导电聚合物为选自下列中的至少一种：聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，具有磺酸基的四氟乙烯与氟乙烯基醚的共聚物，脱氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(间亚苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，及聚(2，5-苯并咪唑)。
所述粘合剂树脂可以单独使用或以混合物的形式使用。任选地，所述粘合剂树脂可与非导电性聚合物一起使用，以提高聚合物电解质膜与催化剂层之间的粘附力。粘合剂树脂的用量可以根据其使用目的进行调整。
所述非导电性聚合物的非限定性实例包括聚四氟乙烯(PTFE)，四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)，四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)，乙烯/四氟乙烯(ETFE)，乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)，聚偏二氟乙烯，聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)，十二烷基苯磺酸，山梨醇，及其组合。
所述电极基底支撑所述电极，并提供向所述催化剂传送燃料和氧化剂的通道。在一个实施方案中，电极基底由诸如炭纸、炭布或碳毡的材料或者金属织物构成，所述金属织物包括形成在多孔织物膜或者由聚合纤维构成的织物表面的金属膜。电极基底并不限于此。
电极基底可包含斥水性氟基树脂，以防止因燃料电池工作期间产生的水所导致的扩散效率恶化。该氟基树脂可包括聚偏二氟乙烯，聚四氟乙烯，氟化的乙烯丙烯，聚氯三氟乙烯，或者氟乙烯聚合物，但并不限于此。
在前述电极基底与催化剂层之间，可以增加多微孔层(MPL)，以提高反应物的扩散效果。多微孔层一般包括具有一定粒径的导电粉末。该导电材料可包括但不限于碳粉末，碳黑，乙炔黑，活性碳，碳纤维，富勒烯，纳米碳，及其组合。纳米碳可包括诸如碳纳米管，碳纳米纤维，碳纳米线，碳纳米角，碳纳米环，及其混合物等材料。
多微孔层是通过在导电基底上涂布包含导电粉末、粘合剂树脂和溶剂的组合物而形成的。该粘合剂树脂可包括但不限于聚四氟乙烯，聚偏二氟乙烯，聚乙烯醇，乙酸纤维素，聚六氟丙烯，聚全氟烷基乙烯基醚，聚全氟氟磺酰烷氧基乙烯基醚，及其共聚物。所述溶剂可包括但不限于诸如乙醇、异丙醇、正丙醇、丁醇等醇类，水，二甲基乙酰胺，二甲亚砜，及N-甲基吡咯烷酮。依据组合物的粘度，所述涂布方法可包括但不限于幕涂，喷涂，刮涂，照相凹板式涂布，浸涂，丝网印刷，刷涂等。
聚合物电解质膜1通过将阳极催化剂33产生的质子传递至阴极催化剂53而起离子交换作用。
用于本发明实施方案的聚合物电解质膜的质子导电聚合物，可以是其侧链具有选自下列的阳离子交换基团的任何聚合物树脂：磺酸基，羧酸基，磷酸基，膦酸基，及其衍生物。
该聚合物树脂的非限定性实例包括选自下列中的至少一种：氟基聚合物，苯并咪唑基聚合物，聚酰亚胺基聚合物，聚醚酰亚胺基聚合物，聚苯硫醚基聚合物，聚砜基聚合物，聚醚砜基聚合物，聚醚酮基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，及聚苯基喹喔啉基聚合物。在优选的实施方案中，该质子导电聚合物为选自下列中的至少一种：聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，含有磺酸基的四氟乙烯与氟乙烯醚的聚合物，脱氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(间亚苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，及聚(2，5-苯并咪唑)。
在质子导电聚合物的质子导电基团中，H可以被Na、K、Li、Cs或四丁基铵所取代。当离子交换基团中质子导电基团末端的H被Na取代时，可以使用NaOH。当H被四丁铵取代时，使用氢氧化四丁基铵。同时可以利用适当的化合物取代K、Li或Cs。在现有技术中，取代H的方法是已知的，在此不再详细描述。
根据本发明的实施方案，提供包括上述膜电极组件的燃料电池系统。
根据本发明实施方案的燃料电池系统包括至少一个发电元件，燃料供应器，及氧化剂供应器。
发电元件包括膜电极组件，及位于膜电极组件两侧的隔板，所述膜电极组件包括聚合物电解质膜，及位于聚合物电解质膜两侧的阴极和阳极。发电元件通过燃料的氧化和氧化剂的还原发电。
燃料供应器的作用是向发电元件提供包括氢气的燃料，氧化剂供应器的作用是向发电元件提供氧化剂。所述氧化剂包括氧气或空气。
燃料包括液态或气态的氢，或者诸如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或天然气等烃基燃料。
该燃料电池系统可应用于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，直接氧化燃料电池(DOFC)，或者混合反应物燃料电池。
所述混合反应物燃料电池包括在阳极催化剂层中仅选择性地作用于燃料的氧化反应的阳极催化剂，及在阴极催化剂层中仅选择性地作用于氧化剂的还原反应的阴极催化剂。因此，即使将燃料和氧化剂的混合物注入到阳极和阴极催化剂层，在阳极催化剂层也仅发生燃料的氧化反应，及在阴极催化剂层也仅发生氧化剂的还原反应。由于混合反应物燃料电池不需要普通燃料电池所必须的隔板，因此，混合反应物燃料电池具有降低制造成本和减小电池尺寸的优点。
根据本发明的实施方案，由于阴极催化剂对氧气的还原反应具有优异的选择性，所以其可以更有效地应用于存在燃料渗透问题的直接氧化燃料电池，并且可以最有效地应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)。
图2示出了燃料电池系统100的结构，现将参照附图详细描述该燃料电池系统100的结构如下。图2图示了燃料电池系统100，其中燃料和氧化剂通过泵151和171提供给发电元件130，但是本发明并不限于这样的结构。作为选择，根据本发明实施方案的燃料电池系统包括其中燃料和氧化剂以扩散方式提供的结构。
燃料电池系统100包括由至少一个通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能的发电元件构成的电池堆110，用于向发电元件130提供燃料的燃料供应器150，及用于向发电元件130提供氧化剂的氧化剂供应器170。
另外，燃料供应器150装有储存燃料的容器153，及与其相连的泵151。燃料泵151以预定的抽汲功率提供储存在容器153中的燃料。
向电池堆110的发电元件130提供氧化剂的氧化剂供应器170装有至少一个用于以预定的抽汲功率提供氧化剂的泵171。
发电元件130包括氧化氢气或燃料并还原氧化剂的膜电极组件131，以及分别位于膜电极组件相对侧并分别提供氢气或燃料和氧化剂的隔板133和135。电池堆110由至少一个发电元件130构成。
下面的实施例更具体地说明本发明的实施方案。然而，应当理解的是，本发明并不限于这些实施例。
实施例1
通过在烧瓶中混合1g的Ru(CH3COO)3，0.5g的W(CH3COO)3，15g的CH3CSNH2，及12ml的Triton X-100，并以磁搅棒搅拌15分钟，制备第一乳剂。
通过在烧瓶中混合16g的C6H12(环己烷)，及8ml的Triton X-100，并以磁搅棒搅拌15分钟，制备第二乳剂。
将所制备的第一和第二乳剂加到烧瓶中，并通过旋转其中的磁搅棒15分钟以进行混合。然后将装有第一和第二乳剂的混合物的烧瓶加热到60℃，并在60℃下保持8小时，然后冷却至室温。接着，过滤烧瓶中的混合物，得到沉淀物。将该沉淀物用蒸馏水和乙醇洗涤3次，并在60℃下干燥4小时，得到纳米线形状的Ru-W-S。该Ru-W-S包含54原子％的Ru，24原子％的W，及22原子％的S，并具有100m2/g的比表面积。
通过担载3.78×10-3mg根据实施例1的催化剂于玻璃碳上，制备工作电极，同时使用铂网作为反电极。
实施例2
通过在烧瓶中混合1.6g的H2RhCl4，0.9g的Mo(CO)6，15g的CH3CSNH2，及12ml的Triton X-100，并用磁搅棒搅拌15分钟，制得第一乳剂。
通过在烧瓶中混合16g的C6H12(环己烷)，及8ml的Triton X-100，并用磁搅棒搅拌15分钟，制得第二乳剂。
将所制备的第一和第二乳剂加到烧瓶中，并用其中的磁搅棒搅拌15分钟，以进行混合。然后将装有第一和第二乳剂混合物的烧瓶加热到60℃，并在60℃下保持8小时，然后冷却至室温。接下来，过滤烧瓶中的混合物，得到沉淀物。将该沉淀物用蒸馏水和乙醇洗涤3次，并在60℃下干燥4小时，得到纳米线形状的Rh-Mo-S。该Rh-Mo-S包含67原子％的Rh，23原子％的Mo，及10原子％的S，并具有110m2/g的比表面积。
通过担载3.78×10-3mg根据实施例2的催化剂于玻璃碳上，制得工作电极，同时利用铂网作为反电极。
对比例1
用15ml的溶剂混合0.7g的Ru(CH3COO)3，0.4g的W(CH3COO)3，1g的硫粉末，及1.2g的科琴黑，并在60℃下加热4个小时，制得碳载的Ru-W-S。该碳载的Ru-W-S包含57原子％的Ru，22原子％的W，及21原子％的S。该Ru-W-S不具有纳米线形状，但具有15m2/g的比表面积。
通过担载3.78×10-3mg根据对比例1的催化剂于玻璃碳上，制得工作电极，同时利用铂网作为反电极。
通过在浓度0.5M的硫酸溶液鼓泡氧气2个小时，制得氧饱和的硫酸溶液。然后，将所制备的电极放置在氧饱和的硫酸溶液中，并在改变电压的同时，测量电流密度。结果示于下面的表1中：
表1
| 电流密度(mA/cm2(0.7V)) | |
| 实施例1和实施例2 | 1.25 |
| 对比例1 | 0.71 |
参见该结果，根据实施例1和实施例2的包含纳米线形状的Ru-W-S催化剂的电极，具有比根据对比例1的包含Ru-W-S/C催化剂的电极高的电流密度。因此，与对比例1相比，实施例1和实施例2的催化剂证实具有更高的活性。
由于根据本发明实施方案的用于燃料电池的阴极催化剂对氧化剂还原具有优异的活性和选择性，因此，它可以提高包括它的燃料电池膜电极组件以及燃料电池系统的性能。
尽管已经说明了本发明连同当前考虑的实用的示例性实施方案，但是应当理解，本发明并不限于公开的实施方案，相反，本发明意在涵盖权利要求书的构思和范围中所包含的各种修改和等价方案。
Claims (16)
1.一种用于燃料电池的阴极催化剂，其包括：
具有纳米线形状的A-B-S，式中A选自Ru、Rh及其组合，B选自W、Mo及其组合，
其中该催化剂包含50～70原子％的A，20～25原子％的B，及5～30原子％的S。
2.根据权利要求1的阴极催化剂，其中该催化剂包含55～65原子％的A，22～24原子％的B，及10～25原子％的S。
3.根据权利要求1的阴极催化剂，其中该催化剂具有20～150m2/g的比表面积。
4.根据权利要求1的阴极催化剂，其中该催化剂具有100～150m2/g的比表面积。
5.一种用于燃料电池的膜电极组件，包括：
阳极，该阳极包括：
第一导电性电极基底，和
布置在该第一电极基底上的阳极催化剂层；
与所述阳极相对的阴极，该阴极包括：
第二导电性电极基底，和
布置在该第二电极基底上的阴极催化剂层，该阴极催化剂层包含根据权利要求1～4中之一的阴极催化剂；以及
介于所述阳极和阴极之间的聚合物电解质膜。
6.根据权利要求5的膜电极组件，其中所述聚合物电解质膜包括其侧链具有选自下列的阳离子交换基团的聚合物树脂：磺酸基，羧酸基，磷酸基，膦酸基，及其衍生物。
7.根据权利要求6的膜电极组件，其中所述聚合物树脂选自：氟基聚合物，苯并咪唑基聚合物，聚酰亚胺基聚合物，聚醚酰亚胺基聚合物，聚苯硫醚基聚合物，聚砜基聚合物，聚醚砜基聚合物，聚醚酮基聚合物，聚醚-醚酮-基聚合物，聚苯基喹喔啉基聚合物，及其组合。
8.根据权利要求7的膜电极组件，其中所述聚合物树脂选自：聚(全氟磺酸)，聚(全氟羧酸)，具有磺酸基的四氟乙烯与氟乙烯基醚的共聚物，脱氟的聚醚酮硫化物，芳基酮，聚(2，2′-(间亚苯基)-5，5′-二苯并咪唑)，聚(2，5-苯并咪唑)，及其组合。
9.根据权利要求5的膜电极组件，其中所述阳极催化剂层包含铂，钌，锇，铂-钌合金，铂-锇合金，铂-钯合金，铂-M合金，及其组合，这里M为选自下列的元素：Ga，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Sn，Mo，W，Rh，Ru，及其组合。
10.一种燃料电池系统，包括：
-发电元件，该发电元件包括：
■膜电极组件，该膜电极组件包括：
●阳极，该阳极包括：
◆第一导电性电极基底，和
◆布置在该第一电极基底上的阳极催化剂层；
●与所述阳极相对的阴极，该阴极包括：
◆第二导电性电极基底，和
◆布置在该第二电极基底上的阴极催化剂层，该阴极催化剂层包含根据权利要求1～4之一的阴极催化剂；及
●介于所述阳极和阴极之间的聚合物电解质膜；及
■位于所述膜电极组件每一侧的隔板；
-用于向所述发电元件提供燃料的燃料供应器；以及
-用于向所述发电元件提供氧化剂的氧化剂供应器。
11.根据权利要求10的燃料电池系统，其中该燃料电池系统选自聚合物电解质膜燃料电池，直接氧化燃料电池，及混合反应物燃料电池。
12.根据权利要求10的燃料电池系统，其中该燃料电池系统是直接氧化燃料电池。
13.一种制备燃料电池的阴极催化剂的方法，该方法包括：
通过将A原料、B原料和S原料与表面活性剂混合，制备第一乳剂，其中A原料是包含选自Ru、Rh及其组合的元素的水溶性盐，B原料是包含选自W、Mo及其组合的元素的水溶性盐，及S原料包含硫；
通过混合表面活性剂和乳化剂，制备第二乳剂；
混合并加热第一乳剂和第二乳剂；
冷却第一乳剂和第二乳剂的经加热的混合物；
过滤该混合物，得到沉淀物；以及
干燥该沉淀物，得到具有纳米线形状的A-B-S，式中A选自Ru、Rh及其组合，B选自W、Mo及其组合，
其中所述阴极催化剂包含50～70原子％的A，20～25原子％的B，及5～30原子％的S。
14.根据权利要求13的方法，其中所述阴极催化剂具有20～150m2/g的比表面积。
15.根据权利要求13的方法，其中所述加热在50～80℃下进行，直至混合物停止变色为止。
16.根据权利要求13的方法，其中所述A原料选自Ru(CH3COO)3和H2RhCl4，所述B原料选自Mo(CO)6和W(CH3COO)3，及所述S原料是CH3CSNH2。
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