何广利，窦美玲

（1 北京低碳清洁能源研究院新能源技术研究中心，北京 102211；2 北京化工大学材料科学与工程学院，北京 100029）

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cells，PEMFCs）耐久性是制约氢能在交通领域大规模商业化应用的关键因素之一[1]，燃料电池乘用车行驶5000h 后，输出性能衰减应小于10%[2]。目前，车用燃料电池氢气主要通过工业副产氢制取，氢源包括煤气化制氢、天然气重整制氢、生物质气化制氢、甲醇重整制氢以及焦炉煤气、合成氨尾气等[3]。不同氢源的非氢组分有一定差异，例如煤气化氢源中CO 体积分数占比35%～45%、CO2占比15%～25%、CH4占 比0.1%～0.3%、总S 占 比0.2%～1%、N2占比0.5%～1%[4]；对于天然气重整氢源，其中CO 占比10%～15%、CO2占比10%～15%、CH4占比1%～3%、N2占比0.1%～0.5%[5]。尽管采用不同氢源时均经历严格的纯化除杂，仍然会因氢源的复杂性难以去除某些杂质，或在氢气纯化后的充装、运输、压缩和加注过程不可避免引入一些微量或痕量杂质，如H2S、CO和NH3等。相比之下，水电解制氢拥有较高的纯度，但其电耗高（约5kWh/m3），目前制氢成本仍高于工业副产氢纯化。

氢气中存在的杂质若含量超过一定限值，会导致车用燃料电池性能衰减、导致寿命下降[6]。PEMFCs运行时的性能损失包括电化学极化、欧姆极化和传质极化，输出电压可表示为式(1)。

式中，V0为条件平衡电压；ηa和ηc分别为阳极和阴极过电位；j 为电流密度；Rohmic为欧姆电阻；ηconc为浓差极化过电位。当氢气中存在杂质时，会引起阳极过电位升高、欧姆电阻增加或传质过电位升高，导致PEMFCs性能下降。氢气中的多数杂质（如H2S、CO、CO2、甲醛和甲苯杂质）主要引起阳极过电位增加，而NH3主要引起欧姆电阻增加[7-9]。……