张巨佳，张劲，王海宁，相艳，卢善富

北京航空航天大学空间与环境学院，仿生能源材料与器件北京市重点实验室，北京 100191

1 引言

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有清洁高效、高能量密度和可携带等特性，而被认为是最具潜力的能量转化设备1,2。由于电解质膜本身的特性，通常PEMFC的操作温度在80 °C以下(简称为低温聚合物电解质膜燃料电池，LT-PEMFC)，使得其对CO等杂质气体的耐受性较差，水/热管理困难，热利用率不高，因此提高PEMFC的运行温度是解决上述问题的重要途径之一3-5。高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)运行温度在140-200 °C之间，高的运行温度不仅提升了催化剂的反应动力学活性，同时降低了CO、SO2等杂质分子在铂(Pt)等贵金属催化剂表面的吸附，使电极对杂质分子的耐受能力大幅提升6-8。如图1a所示，当电池的操作温度≥ 200 °C时，即使阳极侧H2燃料中CO体积分数达到5%，但电池在0.6 V处的输出功率也不会明显下降(功率密度衰减≤ 15%)。同样，升高操作温度时阴极侧抗毒化也得到大幅提升8。如图1b所示，阴极侧通入0.01‰ SO2，HT-PEMFC在160 °C电流仅降低8%左右，而LT-PEMFC在80 °C电流却降低了82%9。因此，HT-PEMFC可以直接采用甲醇、甲酸等燃料重整气作为燃料9-12，大幅降低了聚合物电解质膜燃料电池对高纯氢气的高度依赖；并且对于阴极侧空气质量的要求相对较低9。同时，与燃料重整反应器相匹配的运行温度便于电堆和反应器的一体化设计，电池产生的余热也可以直接回收或提供给重整器使用，提高了整体系统的效率13-16。此外，水在HT-PEMFC运行过程中以气态水的形式存在有利于水的排出，而且不依赖水的质子传递机理使得反应气体无需加湿处理，从而简化了LT-PEMFC复杂的水/热管理系统17-19。……