摘 要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型的环保清洁的能源，而电极催化剂作为PEMFC中的关键材料，一直受到广泛的关注。但由于碳腐蚀、铂催化剂颗粒的溶解／团聚和杂质毒化等原因使得PEMFC的耐久性降低，阻碍其商业化发展。因此寻求低铂载量、耐久性高的催化剂是目前质子交换膜燃料电池的研究重点。本课题运用循环伏安法（CV）制备聚吡咯作为催化剂载体层，重点研究了不同扫描圈数和扫描速率对聚吡咯的电导率的影响。再使用电沉积法在制备好的聚吡咯/碳复合载体上制备铂催化剂。采用扫描电镜、傅立叶红外光谱分析（FTIR）等手段对催化剂进行分析表征。最后再用前面得到的性能较好的催化剂制备单电池，然后测试单电池性能。研究表明：扫描圈数在5圈～10圈之间，扫描速率在20mv/s～30mv/s之间制备的聚吡咯的性能最好。Pt/PPy-C催化剂的性能比Pt/C催化剂的要好。铂颗粒均匀的分散在聚吡咯膜表面，防止铂催化剂在运行中发生溶解或团聚。当然，加了铂催化剂的电池性能更好。

关键词：质子交换膜燃料电池 聚吡咯 循环伏安法 阴极催化剂

Study on the Performance of Polypyrrole-Carbon Supported Catalysts by Cyclic Voltammetry

Abstract

Proton exchange membrane fuel cell is a new type of environmental energy. As one key material of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), the electrocatalyst has been getting widely attention. However,because of the carbon corrosion ,the dissolution/agglomeration of Pt catalyst and the impurity poisoning ,the durability of PEMFC was reduced and its commercial development was hindered. In this paper,the polypyrrole was prepared by cyclic voltammetry as the catalyst carrier layer, And the influence of different scanning laps and scanning rates on the conductivity of polypyrrole was studied particularly.Then the Pt catalyst layer was prepared by electrodepositon. The catalysts on the polypyrrole layer were characterized by SEM and FTIR. Finally,use the previously prepared catalyst with better performance to prepare the cell, and then test the performance of the cell. The research shows that the scanning cycle is between 5 to 10,and the scanning rate is between 20mv/s to 30mv/s. And the performance of the Pt/PPy-C catalyst is better than the Pt/C catalyst. The Pt particles could be better dispersed on the surface of the polypyrrole film to prevent the dissolution/agglomeration of Pt catalyst during operation,thus improving the durability of the battery.Of course,the addition of Pt catalyst makes the battery’s performance better.

Keyword: Proton exchange membrane fuel cell; Polypyrrole; Cyclic voltammetry

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献总结 1

1.1 引言 1

1.2 质子交换膜燃料电池的概述 1

1.2.1 质子交换膜燃料电池发展简史 1

1.2.2 质子交换膜燃料电池的结构和工作原理 2

1.2.3 PEMFC的主要缺陷 3

1.3 质子交换膜燃料电池催化剂 4

1.3.1 PEMFC电池催化剂的研究开发 4

1.3.2 PEMFC催化剂稳定性的改进 5

1.4 导电聚吡咯在电池催化剂中的应用 5

1.4.1 导电聚合物概述 5

1.4.2 导电聚吡咯的研究 6

1.4.3 聚吡咯膜的制备 7

1.5 循环伏安法的概述 8

1.5.1 循环伏安法的原理 8

1.5.2 循环伏安法的发展 8

1.6 论文的研究目标及内容 9

第二章 实验方法 10

2.1 实验仪器与试剂 10

2.1.1 实验仪器及规格 10

2.1.2 实验试剂 11

2.2 实验步骤 12

2.2.1 碳布载体的修饰 12

2.2.2 循环伏安法制备聚吡咯载体 12

2.2.3 Pt催化剂的制备 12

2.2.4 膜电极的制备 12

2.3 材料测试方法 13

2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）测试 13

2.3.2 红外分析 13

2.3.3电化学性能测试 13

第三章 结果与讨论 15

3.1 循环伏安法制备的聚吡咯膜的性能研究 15

3.1.1 扫描圈数对聚吡咯的性能影响 15

3.1.2 扫描速率对聚吡咯的性能影响 16

3.1.3聚吡咯样品的红外分析 17

3.2 Pt催化剂的制备与表征 18

3.2.1 催化剂的化学性能表征 18

3.2.2 催化剂的物理性能表征 19

3.3 单电池的性能表征 19

第四章 结论 21

参考文献 22

致 谢 24

第一章 文献总结

1.1 引言

伴随科技的进步，以及社会对能源的需求不断增长，我们对石油、煤炭等资源的开发越来越多，就会导致这类能源的储量大幅度下降。世界卫生组织报道了由于越来越多的使用化石燃料，燃料燃烧产生的污染变成了严重并且逐渐扩大的环境问题。尽量减少不可再生燃料的使用和替代化石资源的能源技术的开发，提高燃料的利用率并降低燃烧燃料排放的污染，成为了日后研究的重点。

在此背景下，燃料电池脱颖而出。后续研究中发现，燃料电池以利用其他形式的能源的一种重要装置和手段。燃料电池以其能量转换率高^[1]（不受卡诺循环限制，燃料电池有一个非常好的特点，它可以把化学功直接变成电功）、环保友好没有污染等优点成为新型电池装置。因此，燃料电池得到科学家的关注与研究，在能源领域具有十分广阔的应用前景^[2]。

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