1引言

聚电解质膜燃料电池(PEMFC)作为第五代燃料电池，被认为是本世纪最有前景的清洁能源技术之一，然而实际应用时却面临着燃料需要重整净化、水热管理困难、结构复杂和成本高昂等问题。提高运行温度被认为是解决目前PEMFC面临主要问题的理想途径。其中，基于磷酸(H3PO4)掺杂聚苯并咪唑(PBI)的高温膜燃料电池(HTPEMFC)是最成功的体系。

这类燃料电池通常运行温度是140～200℃，在这个温度区间，催化剂具有更高的活性和抗CO中毒能力，因此可以直接采用甲醇、乙醇、天然气等燃料重整制取的非纯氢气为燃料。这样不仅可以简化燃料重整反应器的构造和运行，还有可能进行电池堆和燃料重整反应器的系统一体化设计和开发。同时，HT-PEMFC产生的余热具有较高的回收价值，便于系统整体效率的提高。此外，由于非水的质子传导机理，HT-PEMFC不需要对反应气体进行任何加湿处理，从而消除了低温质子交换膜(例如Nafion)燃料电池系统中的复杂的水管理环节，从根本上简化了燃料电池系统的运行和管理。而基于PBI类的耐高温高分子材料，其价格较为低廉，进一步减少了燃料电池系统的成本。因此，HT-PEMFC被认为是PEMFC今后的发展方向。

膜电极(MembraneElectrodeAssembly，MEA)是PEMFC的核心组件，是造成能量转换的多相物质传输和电化学反应的最终场所(图1)，决定着PEMFC的性能、寿命以及成本。经过近三十年的发展，以Nafion膜为代表的低温PEMFC膜电极技术逐渐成熟。然而对于磷酸掺杂PBI作为电解质膜的HT-PEMFC体系，由于质子传导机理的不同，其膜电极结构、组分及制备过程与低温PEMFC并不相同;同时由于磷酸根离子在催化剂表面的吸附以及O2在磷酸中的低溶解度，HT-PEMFC膜电极还存在催化剂用量较高而利用率较低，以及磷酸流失造成性能衰减等问题。因此，提高催化剂利用效率、增强电池性能和稳定性成为HT-PEMFC膜电极发展的主要目标。本文从HT-PEMFC膜电极构建出发，结合近年来本课题组及国内外在HT-PEMFC膜电极组分和结构优化等方面的研究工作，概述了目前HTPEMFC膜电极的研究趋势并展望了其未来发展方向，以期对先进HT-PEMFC膜电极研究开发产生一定的指导意义。

2HT-PEMFC膜电极的构建

与低温PEMFC类似，典型的HT-PEMFC膜电极通常也具有五层结构，即由阳极和阴极气体扩散层(GasDiffusionLayer，GDL)、阳极和阴极催化层(CatalystLayer，CL)以及电解质膜(PolymerElectrolyteMembrane，PEM)组成。膜电极的构建方式通常与催化层的沉积位置相关，如图2所示，即催化层预先沉积在气体扩散层上(Catalyst-CoatedGDL，CCG)形成气体扩散电极后再与膜压合形成膜电极组装;或催化层预先沉积在膜上(CatalystCoatedMembrane，CCM)而后再与气体扩散层压合形成膜电极组装。膜电极构建方式的选择主要与电解质的存在状况相关。在HT-PEMFC体系中，由于质子传递依靠液态的磷酸电解质，因此膜电极中磷酸的引入方式就决定了膜电极构建方式和特性的差异。

2.1CCG型膜电极

由于磷酸的强吸湿性，预先掺杂了磷酸的PBI膜表面不能保持干燥，催化剂直接沉积其表面往往难以附着，因此大多数HT-PEMFC膜电极均是采用CCG的方法构建，即先制备气体扩散电极。例如本课题组先后采用自动化喷涂技术、超声喷涂技术和电泳沉积等技术制备HT-PEMFC气体扩散电极，并比较了它们各自的优缺点。

结果表明喷涂方法制备的电极具有很好的催化层微结构和更好的放电性能，而电泳沉积的方法由于催化剂浆料中不同性质带电颗粒间不同的沉积速率可导致催化层组分间的不均匀分布，并不适合高性能电极的制备。Mazúr等也发现喷涂技术相比于刷涂、刮涂和丝网印刷等技术而言，所制备出电极催化剂层的结构一致性和性能再现性更好。