质子交换膜(PEM)燃料电池是一种将氢能通过电化学反应转化为电能的装置,具有低污染、低噪声、效率高、操作方便等优点,被称为第四代发电技术。高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC,工作温度180℃左右)是质子交换膜燃料电池中的一种,它可以降低CO等杂质的中毒问题,也可以简化电池内水管理问题,但燃料中的有毒杂质仍会对电池造成毒化。电极电化学反应是HT-PEMFC特性最重要的因素,大量文献采用试验方法研究了电极电化学反应材料和基本过程,但对质子交换膜燃料电池阴极中氧气还原反应过程和路径的模拟研究还较少。论文采用试验和模拟的方法研究了燃料中有毒杂质对电池电极阻抗的影响和电池阴极氧气还原反应路径及反应机理,为高温质子交换膜燃料电池进一步研究和将来的应用提供依据。本文通过查阅大量国内外燃料电池相关文献,总结了燃料电池的发展史、特性和分类,介绍了 HT-PEMFC的结构及关键零件,重点阐述了 HT-PEMFC的工作原理及研究进展。根据PEM燃料电池性能特性,搭建了燃料电池测试系统,介绍了测试系统的硬件组成、软件组成、操作步骤以及对测试结果的处理方法。本文组装了 HT-PEMFC单体,运用搭建的燃料电池测试系统,测试了 HT-PEMFC的伏安特性和交流阻抗特性,分析了燃料中NH3、加湿温度和电池温度对燃料电池性能和交流阻抗图谱的影响。同时采用等效电路法,研究了 HT-PEMFC交流阻抗图谱,获得了HT-PEMFC内的等效电路和等效阻抗元件,分析了燃料中NH3、加湿温度和电池温度对电池中等效元件阻抗的影响。研究结果发现:在其他条件相同的情况下,随着进气温度的升高,燃料中的NH3对电池性能的影响逐渐减小;进气加湿时燃料中NH3对电池的毒化作用略轻于电池未加湿时的情况;随着电池温度的提升,燃料中NH3对电池性能的毒化作用逐渐降低。本文利用分子动力学原理,根据密度泛函理论和第一性原理建立了氧气在催化作用下的反应机理分子数学模型,利用Materials Studio软件建立了 HT-PEMFC阴极催化剂Pt(1 11)表面、Pd(1 1 1)表面和氧分子几何模型,分别模拟了不同温度下HT-PEMFC阴极氧分子在催化剂Pt(1 1 1)和Pd(11 1)表面的吸附,以及4个氢离子依次与氧分子在两个催化剂表面反应过程,分析了两种催化剂中不同温度下反应系统能量、键长、键角、反应粒子运动速度和反应粒子分布情况的变化规律。模拟发现:反应生成物水分子的键长和键角与实际测量值相符,说明本文建立的模型与模拟方法是有效的:氧分子吸附于催化剂层的时间最长,是整个反应过程的控制步骤;各步反应中平衡键长达到稳定平衡需要的时间小于键角达到平衡需要的时间。