高温质子交换膜燃料电池

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)，也称为高温聚合物电解质膜燃料电池，是一种PEM燃料电池，可在120至200°C的温度下运行。HT-PEM燃料电池用于固定式和便携式应用。HT-PEM燃料电池通常供应富氢气体，如甲醇、乙醇、天然气或液化石油气重整形成的重整气体。

HT-PEM燃料电池于1995年开发，用于在更高的电池温度下运行，旨在降低PEM燃料电池对杂质的敏感性。因此，HT-PEM燃料电池技术是最年轻的燃料电池类型之一，自21世纪以来，已有多家公司生产HT-PEM燃料电池系统。该膜由耐酸和耐温聚合物组成，该聚合物具有吸收酸的能力，充当电解质。通常聚苯并咪唑（PBI）用作膜，磷酸用作电解质。HT-PEM燃料电池技术与磷酸燃料电池(PAFC)相似，但主要区别在于用于HT-PEM燃料电池的膜，并使HT-PEM燃料电池的便携式应用成为可能。而普通的PEM燃料电池，也称为低温质子交换膜燃料电池(LT-PEM)，通常必须使用纯度超过99.9%的氢气运行，而HT-PEM燃料电池对杂质的敏感性较低，因此是通常使用氢气浓度约为50%至75%的重整气体操作。与对百万分之几的一氧化碳浓度敏感的LT-PEM燃料电池相比，HT-PEM燃料电池在一氧化碳浓度高达约3Vol-%时运行。通常HT-PEM燃料电池在150至180°C的电池温度下运行。对杂质的低敏感性允许使用甲醇、乙醇、天然气、LPG、DME等燃料，这些燃料在重整器中重整为富氢重整气体，其中燃料电池系统设计简单，无需纯化步骤净化重整气体。由于对杂质的低敏感性和膜的质子传导性，用于HT-PEM燃料电池的膜电极组件也可用于氢分离，以有效地将超纯氢从稀释或不纯的含氢气体中分离出来。以甲醇为燃料的HT-PEM燃料电池系统的设备平衡系统效率通常在35%到45%之间，根据系统设计和运行条件，最高可达约55%。电池效率最高可达63%。由于与其他燃料的重整相比，甲醇的蒸汽重整更简单、更高效（催化剂床温度低于280°C），并且由于传统甲醇和可再生甲醇（例如由废物或可再生能源制成）的低成本和高纯度以及由于甲醇的简单存储，大多数HT-PEM燃料电池使用甲醇运行。以甲醇为燃料的HT-PEM燃料电池是最常用的重整甲醇燃料电池(RMFC)类型。

• 与LT-PEM燃料电池相比，不需要对膜进行加湿的水管理。
• 与LT-PEM燃料电池相比，LT-PEM燃料电池的废热温度过低，低于80°C，可以使用电池堆的废热（130至180°C），从而使热电联产(CHP)可以进一步利用热量。
• 与LT-PEM燃料电池（热交换表面、冷却功率）相比，由于电堆温度更高，因此电堆的简单冷却成为可能。
• 可以使用可以在重整器中重整为富氢气体的各种燃料（例如甲醇、乙醇、丙醇、生物丁醇、生物甘油、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、OME、汽油、氨）。
• 简单的系统设计是可能的，因为不需要甲醇燃料HT-PEM燃料电池的纯化步骤。
• 与SOFC燃料电池相比，可以在堆中使用塑料部件和弹性体密封件。
• 与直接甲醇燃料电池、DMFC（20至30%）相比，甲醇燃料HT-PEM燃料电池系统的系统效率更高（35至45%）。甲醇燃料消耗低。
• 与DMFC相比，甲醇燃料HT-PEM燃料电池系统不需要高甲醇燃料纯度。
• 甲醇燃料的HT-PEM燃料电池系统比DMFC系统的寿命更长是可能的。
• 可使用纯燃料或水-燃料混合物（取决于燃料电池系统设计）。
• 使用可再生燃料是可能的。
• 与DMFC和LT-PEM燃料电池相比，燃料电池膜的冷藏温度低于0°C是没有问题的。
• 低纯度的氢气可用作燃料。低纯度氢气比通常用于LT-PEM燃料电池的高纯度氢气便宜。
• 与氢（例如LT-PEM燃料电池）或柴油（例如发电机组）作为燃料相比，使用甲醇等燃料可以降低每千瓦时的燃料成本。

• 与LT-PEM燃料电池相比，启动时间更长（电堆和重整器的加热时间）。因此，有时需要使用比LT-PEM燃料电池系统更大的电池进行混合。
• 与LT-PEM燃料电池和DMFC相比，在启动期间用于堆加热的系统组件是必要的。
• 与LT-PEM燃料电池相比，需要更多电池才能达到高功率输出或与氢LT-PEM燃料电池相同的效率，因为HT-PEM燃料电池的特性曲线较差：与LT相比，电堆成本、电堆体积和电堆重量更高-PEM燃料电池。达到更好特性曲线特性的技术处于基础研究状态。
• 在膜电极组件中使用比LT-PEM燃料电池更高的铂含量（约8-14gPt/kW）：要考虑铂回收。用于HT-PEM燃料电池的无铂电极的开发处于基础研究状态。
• 当使用有机燃料时，可能会排放二氧化碳，并且可能会排放微量的一氧化碳（浓度取决于系统设计，通常一氧化碳浓度远低于内燃机排放的浓度）。
• 一些系统组件必须能够承受比LT-PEM燃料电池和DMFC更高的温度，这限制了适用材料的选择（例如，耐温高达120-180°C的聚合物）。

HT-PEM燃料电池系统用于固定和便携式应用。例如，以甲醇为燃料的HT-PEM燃料电池被用作发电机的替代品（例如离网应用、备用电源、应急电源、辅助动力装置）和电动汽车的续航里程扩展（例如跑车GumpertNathalie）。通常，HT-PEM燃料电池系统与电池一起用于混合操作。以天然气为燃料的HT-PEM燃料电池系统也用于建筑物中的热电联产(CHP)应用。包含HT-PEM燃料电池技术的燃料电池系统制造商：

• 蓝界科技（丹麦）
• Siqens（德国）