摘 要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有效率高、环保性能好等优点，适用于军事、通讯、交通、计算机等领域，具有广阔的发展前景。目前广泛采用碳担载铂及铂基复合催化剂，但其成本较高。因此寻求低铂、高效的催化剂是目前质子交换膜燃料电池研究的重点。

本课题重点研究了占空比对双向脉冲制备Pt-Ni合金阴极催化剂性能的影响，同时对通过恒压和脉冲电沉积制备的催化剂进行了比较。采用一些分析测试手段对催化剂的性能进行表征。研究表明：双向脉冲电沉积法与恒压电沉积法相比，制备出的Pt-Ni合金催化剂表面更为光滑、颗粒更加均匀细小。当占空比为50%时，所得催化剂颗粒最为理想，电化学活性表面积（ECSA）达到72m²/g_Pt，在单电池的运行过程中，最大功率密度可达到110mW/cm²，此时的催化活性最高。在适当的占空比下，双向脉冲电沉积制得的Pt-Ni合金催化剂提高了Pt对氧还原的催化活性。

关键词：质子交换膜燃料电池 Pt-Ni合金催化剂 占空比 双向脉冲电沉积 氧化还原反应

Effect of Duty Cycle on Properties of Pt - Ni Alloy Cathode Catalyst Prepared by Bidirectional Pulse

Abstract

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) hold great promise for use as power sources in military, communications, transportation, computer and other fields due to their high power density and environmental benefits. It has a broad development prospects. At present, carbon-supported platinum and platinum-based composite catalysts are widely used, but it is expensive. Therefore seeking low platinum, efficient catalyst is the focus of current proton exchange membrane fuel cell research.

In this paper, the Pt-Ni alloy catalyst was deposited on the surface of carbon cloth by pulse electrodeposition. The influence of duty cycle on the deposition catalyst was studied emphatically. At the same time, the catalysts prepared by constant voltage electrodeposition and pulsed electrodeposition were compared. The perfor- mance of the catalyst was characterized by X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy and cyclic voltammetry. The results show that the Pt-Ni alloy catalyst is more smooth and the particles are more uniform and smaller than the constant voltage electrodeposition method. When the duty ratio is 50%, the resulting catalyst particles are most ideal, and the electrochemically active surface area (ECSA) reaches 72 m²/g_Pt,.In the process of running a single cell, the maximum power density can reach 110 mW/cm²,and this is the highest catalytic activity. The Pt-Ni alloy catalyst prepared by bidirectional pulse electrodeposition under proper duty cycle improves the catalytic activity of Pt for oxygen reduction.

Key Words: Proton exchange membrane fuel cell; Pt-Ni alloy cataiyst catalyst; Duty cycle; Bidirectional pulse electrodeposition; ORR

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 质子交换膜燃料电池概述 1

1.1.1 质子交换膜燃料电池的发展 1

1.1.2 质子交换膜燃料电池的结构及工作原理 2

1.2 质子交换膜燃料电池的特点 5

1.2.1 质子交换膜燃料电池的优点 5

1.2.2 质子交换膜燃料电池的缺点 5

1.3 质子交换膜燃料电池电极催化剂 5

1.3.1 质子交换膜燃料电池电极催化剂概述 5

1.3.2 电极催化剂的分类 6

1.3.3 电极催化剂的制备方法 6

1.4 论文研究的目的、手段、意义及展望 8

1.4.1 论文研究的目的 8

1.4.2 论文研究的手段 8

1.4.3 论文研究的意义及展望 8

第二章 实验 9

2.1 实验试剂及仪器 9

2.1.1 实验试剂 9

2.1.2 实验仪器 10

2.2 实验步骤 10

2.2.1 碳布的亲水性处理 10

2.2.2 Pt-Ni阴极催化剂的电沉积制备 11

2.2.3 阳极的制备 11

2.2.4 膜电极的制备 12

2.3 性能测试 12

2.3.1 扫描电镜（SEM）测试 12

2.3.2 X射线衍射（X-ray）分析 12

2.3.3 电化学性能测试 13

第三章 结果与讨论 15

3.1 催化剂的物理性能表征 15

3.2 催化剂的电化学性能表征 18

3.2.1 Pt-Ni合金的循环伏安测试 18

3.2.2 单电池极化测试 19

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 23

致谢 26

第一章 绪论

1.1 PEMFC概述

1.1.1 PEMFC的发展

如今科技飞速发展，人类对能源的消耗加剧，能源供不应求，未来值得我们深思。有专业机构预测，新世纪氢能将成为我们赖以生存的主要能源。燃料电池是一种通过电化学反应把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的高校能源转换装置^[1]。与传统的火力发电相比，具有能量转化率高、运行噪声低、构造简单、维护方便、无污染物排放等优点。

上世纪六十年代初，美国首次将PEMFC这一新型能源用于航天领域。但受到当时技术等因素的限制，电解质膜稳定性较差、电池寿命较短、贵金属Pt用量太大，使得PEMFC技术没能进一步发展。近年来，由于有望成为未来理想的移动电源，尤其作为清洁汽车的动力来源，世界各大汽车制造商试图开发车用PEMFC，例如德国的Daimler AG公司、美国的Ford 公司和加拿大的BLDP公司联合投资10亿加元，用于开车用燃料电池组电池系统与电推进系统；日本的本田和丰田公司也在美国东西部沿海高速的氢燃料补给站投入大量资金，同时也投入资金建设本国的氢基础设施，日本政府希望在2025年时燃料电池汽车销量能够占汽车销售总量的60%。表1-1将几种燃料电池汽车的主要性能指标进行了比较，性能甚至可以赶超内燃机^[2]。

我国的PEMFC研究开始于上世纪九十年代，当时主要有中国科学院长春应用化学.研究所和中国科学院大连化学物理研究所两家研究机构，他们着重于对PEMFC的高分子膜、催化剂制备等基础领域的研究^[3,4]。随着PEMFC的不断发展，我国一些高等院校单位和企业公司也加入了研究的行列，并取得了较为突出的成就。总之，PEMFC的研究及其应用在全球掀起了一股热潮，我国的研究总体水平已接近世界先进水平。

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