质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种清洁、高效的新能源,被认为是目前最有前途的车用动力电源之一。在PEMFC中的氧还原反应(ORR)对燃料电池整体发电性能起着关键作用,这是由于阴极氧气还原的速率比阳极中的氢气氧化反应慢几个数量级。为了提高燃料电池的整体性能,在催化ORR的过程需要使用大量的贵金属铂(Pt)。这是目前燃料电池制造成本过高的主要瓶颈之一,对燃料电池的商业化应用造成了极大的阻碍。因此,研发高活性、低成本的非铂阴极催化材料对于推动PEMFC的应用具有重要意义。本文通过三聚氰胺复合树脂的合成与改性、非贵金属ORR催化材料的制备和燃料电池全电池性能测试等方面优化开展工作,以提高三聚氰胺复合树脂基燃料电池非贵金属催化材料的ORR催化活性和稳定性为目的。主要研究内容如下:(1)改进了三聚氰胺甲醛树脂与碳黑的混合方法,利用三聚氰胺和甲醛在固化之前形成的可溶性三羧甲基三聚氰胺树脂与表面改性的碳黑进行了充分混合,制备了三聚氰胺甲醛树脂复合材料作为催化剂的前驱体,通过一步热解法制备了催化剂,并对比研究了几种前驱体的分散情况、铁的含量、碳的含量、热解温度及时间对于催化剂的氧还原性能影响。在多孔碳黑负载三聚氰胺甲醛树脂的合成过程中,创造性地使用了表面活性剂(吐温80),使催化剂的活性得到了明显的提高。测试结果表明,该催化剂在酸性和碱性电解液中均表现出显著的ORR活性,在25℃的0.1M高氯酸、900 rpm下的氧还原起始电位可以达到0.86 V(RHE),半波电位达到了 0.77V(RHE),是一种很有前途的燃料电池氧还原催化材料。(2)采用三聚氰胺和对苯二甲醛合成了席夫碱聚合物,借鉴前期三聚氰胺甲醛树脂基非贵金属催化剂的制备工艺,通过两步热解法制备了席夫碱聚合物基非贵金属氧还原催化剂。经过半电池测试比较分析可知,其氧还原活性明显高于基于“三聚氰胺甲醛树脂”制备的催化材料。该催化材料在25℃的0.1 M高氯酸、900rpm下的氧还原起始电位达到了1.02 V(RHE),半波电位达到了0.83 V(RHE),是目前文献报道过的燃料电池非贵金属催化剂材料中ORR催化活性最佳的催化剂材料之一。另外,还探讨了前驱物的主要原料三聚氰胺和对苯二甲醛在高温聚合前期的混合的方式、热处理温度等方面对氧还原活性的影响。基于席夫碱聚合物热解的催化剂制备了氢燃料电池的阴极,单电池功率密度最高可达790 mW/cm2。(3)考察添加维生素E对Fe/N-C非贵金属氧还原催化剂的半电池性能影响。通过设计了一组L9(34)的正交试验,来探讨Nafion含量、催化剂载量、水的含量以及维生素E含量这四个因素对催化剂氧还原催化性能和稳定性的协同作用,并试图找出一组这四个因素的最佳组合水平,推测出Nafion质量分数20 wt%、催化剂载量为1.14 mg/cm2、水体积分数为30 wt%以及维生素E在质量分数5 wt%时的催化剂浆料配方是兼具氧还原活性和稳定性的。(4)在利用Fe/N-C非贵金属氧还原催化剂制备催化剂层的时候添加适量的维生素E,并验证其全电池性能。由于维生素E存在于催化剂和Nafion树脂共混的多孔催化层,即便出现相分离的现象,也不会引起任何的膜机械稳定性和局部氢渗透过大问题,并能在在三相界面附近第一时间捕获超氧自由基和双氧水,进而最大程度地为催化剂和质子交换膜做好防护工作。试验证明,维生素E添加剂虽然会导致膜电极最高功率密度有所下降,但却显著地提高了 Fe/N-C催化剂基全电池的稳定性。