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摘 要

本实验主要是研究导电聚合物聚苯胺能否改善质子交换膜燃料电池的性能，提升耐久性。在亲水性处理后的碳布上循环伏安法沉积聚苯胺膜，接着在复合载体上用恒电位法沉积铂，得到新型催化剂试样，进行多种测试来表征。先是探究聚苯胺是否会影响铂的催化性能，接着分析聚苯胺层性能，然后是研究铂最佳沉积时间，发现沉积15分钟时化学活性面积最大，最后是耐久性测试，循环1000圈后聚苯胺修饰的铂碳催化剂化学活性面积损失率为44%，低于商用铂碳的60%，耐久性大大提升。测试表明，聚苯胺加入后能锚固铂催化剂粒子，防止脱落和团聚，并且能保护碳布免受电解液腐蚀，从而有效提高铂催化剂的耐久性，减少催化剂的损失。

关键词：聚苯胺 铂 催化剂 质子交换膜燃料电池

Performance Characterization of Polyaniline-Carbon Supported Pt For PEMFC Prepared by Cyclic Voltammetry method

Abstract

This experiment is mainly to study whether conductive polymer polyaniline can improve the durability of proton exchange membrane fuel cells. The polyaniline film was deposited by cyclic voltammetry on a hydrophilic carbon cloth, then platinum was deposited by a potentiostatic method on a composite carrier. We can obtain a novel catalyst sample and the sample needs to be characterized by various tests. First, we investigate whether polyaniline will affect the catalytic performance of platinum. Then we analyze the performance of polyaniline layer. we study the optimal deposition time of platinum, and the result shows that ECSA is the largest when deposition time is 15 minutes. Finally, after 1000 cycles of durability test, the ECSA loss rate of Pt/C catalyst modified by polyaniline is 44%, while the ECSA loss rate of Pt/C catalyst is 60%, so the durability of Pt/C catalyst modified by polyaniline is greatly improved. Tests show that polyaniline can anchor platinum particles to prevent shedding and agglomeration, and can protect carbon cloth from corrosion. The durability of platinum catalyst is increased effectively and the loss of catalyst is reduced with the help of polyaniline.

Keywords: polyaniline; platinum; catalyst; proton exchange membrane fuel cell

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 质子交换膜燃料电池 1

1.2.1质子交换膜燃料电池概述 1

1.2.2 质子交换膜燃料电池的结构 2

1.2.3 质子交换膜燃料电池的工作原理 3

1.2.4 质子交换膜燃料电池存在的问题 4

1.2.5 现有问题的解决方法 5

1.3 导电聚合物聚苯胺在电池中的应用 6

1.3.1 聚苯胺概述 6

1.3.2 聚苯胺膜的制备 6

1.3.3 聚苯胺在燃料电池催化剂中的应用 7

1.4 选题意义 8

第二章 试验方法 9

2.1实验仪器与试剂 9

2.1.1 实验仪器 9

2.1.2 实验试剂 10

2.2 实验方案 11

2.2.1 碳布亲水性处理 11

2.2.2 循环伏安法制备聚苯胺膜 11

2.2.3 恒电位法制备铂催化层 11

2.2.4 膜电极的制备 11

2.3 催化剂的测试 12

2.3.1循环伏安测试 12

2.3.2单电池极化测试 12

2.3.3耐久性测试 13

第三章 结果与讨论 14

3.1 聚苯胺修饰对碳载铂催化剂性能影响分析 14

3.2 循环伏安法沉积聚苯胺的CV图像分析 16

3.3 Pt催化剂的最佳沉积时间的研究 17

3.4 单电池极化性能测试 19

3.5 耐久性测试 20

第四章 结果与讨论 21

第五章 展望 22

参考文献 23

第一章 文献综述

1.1 引言

当今世界各国经济飞速发展，对能源和原材料的需求也空前庞大，能源短缺和环境保护问题亟待解决。在这些问题当中，能源问题尤为严峻。当前能源体系中，以煤，石油为主的化石能源产生了大规模的环境污染，对大气和水体造成严重的负面效应；此外，在能源使用的过程中，由于能量转换效率不高，许多能量转化成了无用的噪音，废热等，造成大量的能源浪费。因此，人们迫切需要一种更清洁，更高效的能源形式。在这种呼声之下，燃料电池应运而生。

燃料电池（FC）使用氢气和碳氢化合物作为燃料来源，比起传统化石燃料，氢气和碳氢化合物中的化学能更高，并且这些能量直接转换为电能，不像传统热机会有转换效率的极限，所以能量转化效率高。由此可知，FC最大的优势在于能量转化效率高，能量转换效率一般在40％到85％的范围之间。燃料电池的另一大优势在于绿色清洁。燃料电池采用清洁燃料，产物通常为为水，对环境不造成污染。燃料电池还具有能量密度高，噪音小等优点。

在众多类型的FC当中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）比较来说有以下这些优点：单位体积电池所产生的能量高；工作温度不高，在对温度的要求方面适应性更强；PEMFC还可以实现快速启动，对于实际应用过程中供电需求的变化做出快速响应，这一点在车用方面优势明显^[1]。PEMFC的其他优点还包括质量轻，体积小，清洁无污染。

1.2 质子交换膜燃料电池

1.2.1质子交换膜燃料电池概述

质子交换膜燃料电池的原料为氢气和氧气，H₂和O₂进行氧化还原反应生成H₂O^[2]。反应产物基本上都是水，这正是燃料电池被称为一种清洁技术的原因。传统能源严重依赖于化石燃料的燃烧，PEMFC作为一个有潜力的替代选项，PEMFC已吸引了人们的目光，并将其运用于各种领域。

PEMFC电池发展历史较短，上世纪60年代开始进入科学家研究视野，在近半个世纪之后就发展到了目前阶段，发展速度相当之快。中国科学家对燃料电池的研究伴随着20世纪70年代航天领域的发展迎来了第一次发展机遇，而美国航天局在上世纪60年代初的双子星计划中就已经首次成功使用PEMFC^[3]。全氟磺酸膜（Nafion膜）研制成功更是PEMFC的关键部分——质子膜的一次飞跃。全氟磺酰氟共聚物Nafion由于其高质子传导性，优异的机械性能，良好的化学稳定性，成功开发为新型质子膜，使得质子交换膜燃料电池得到长足进步。

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