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本文旨在研究空气中存在的主要污染物对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响，并在此基础上提出了抑制和消除其影响的方法。研究结果将有助于了解各种大气污染物对PEMFC的影响程度，认识这些污染物的影响机理，为提高燃料电池汽车(FCV)在实际环境中使用的耐久性提供科学依据和有效手段。
本文选定SO2、NOx、碳氢化合物(HC)和CO四种主要大气污染物作为研究对象，研究其对PEMFC的单因素影响和协同影响。通过采用恒电流放电(V-t)、极化曲线(V-I)、电化学交流阻抗谱(EIS)和循环伏安(CV)等电化学方法，测试了单电池及小功率电堆在受污染物影响前后的电池性能和电化学性质的变化；结合透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、色谱(GC)、质谱(MS)等表征手段，研究了污染物影响电池性能的作用机理；文中还探讨了预防、减缓和修复这些污染物影响的措施。
研究表明，SO2是影响PEMFC性能的最主要的空气污染物。当电池以500mAcm-2的电流密度放电时，空气中SO2浓度达50ppb(体积比浓度，下同)时即对电池性能产生不可忽略的影响；当SO2浓度为10ppm时则可使电池的性能下降达约50﹪。而且，SO2的影响是不可逆的，通过洁净空气吹扫只能使电池性能恢复至初始水平的66﹪左右。为此，本文提出了降低SO2的中毒影响的两个方法——CV氧化法和外加电势脉冲法。使用这两种方法，均可使电池的性能恢复约94﹪。SO2对阴极的毒化作用主要是通过在Pt表面的强吸附挤占了O2的吸附活性位，从而使Pt/C阴极催化剂上的氧气还原反应(ORR反应)活性下降；而且，SO2氧化过程中会产生混合电位，使得阴极电势降低。通过氧化手段可以将强吸附的SO2去除，但Pt/C的电化学活性表面积(EAS)会变小，因此电池性能无法得到完全恢复。EAS缩小的原因是Pt颗粒变大以及SO2氧化生成的阴离子在Pt/C上发生特性吸附。
由于NO和NO2与Pt之间的作用力较弱，空气中的NOx(本文中，NO∶NO2≈9∶1)对PEMFC性能的影响比SO2轻微。当空气中NOx浓度低于10ppm时，对PEMFC性能的影响可以忽略。但是，当NOx浓度为140ppm和1,480ppm时，对电池性能的影响却非常显著。NOx对PEMFC的影响主要是由于其自身在Pt表面的吸附以及其衍生带负电物种在Pt表面的特性吸附阻碍了O2的吸附活性位，同时增大了电化学阻抗所造成的；NOx在阴极还可以发生各种电化学反应，从而产生混合电位，这也会影响到阴极电势。尽管如此，NOx的影响却是可逆的，经过长达8h以上的N2吹扫后，电池的性能基本可以得到完全恢复。
以丙烷和1，3-丁二烯为代表的汽车尾气污染物对PEMFC的影响不如前两种污染物严重。当HC的总浓度小于40ppm(丙烷：1，3-丁二烯=1∶1)时，它们对电池性能的影响可以忽略；在此浓度以上，它们对电池性能的影响就变得快速而显著。但是由于烃类化合物，尤其是不饱和的烃类，容易在Pt的电催化作用下被O2深度氧化成CO2和H2O，因此它们对电池性能的影响是可逆的——用洁净空气吹扫运行，很容易消除其影响。
分别将79ppm、158ppm和1,500ppm的CO通入电池阴极，发现电池对空气中的CO表现出良好的耐受性，即使在1,000mAcm-2的电流密度下放电，也未见CO对电池的性能有明显的影响。以1,500ppmCO/N2和1,500ppmCO/空气分别作为预吸附气，进行电池原位CV测试及PEMFC-MS联测的表征结果表明，CO在Pt表面可被快速氧化变成CO2，因此Pt的ORR反应活性基本不受影响。但是，当CO存在于还原性的阳极气体(H2)中时，其对PEMFC的性能就有显著的影响。例如，重整气(H2含量50﹪)中含10ppmCO时即可使电池的性能下降达10.6﹪。
本文进一步研究了这些污染物共存时对PEMFC性能影响的协同作用。实验中模拟了两种情景浓度——汽车尾气和城市大气。模拟汽车尾气中包含500ppbSO2、1,200ppmNOx、300ppmHC和1,000ppmCO，虽然这些杂质气体各自的浓度并不高，但它们共存时对电池阴极的影响比相同浓度下任一单组分的影响都更大。这可能是因为这些污染物在Pt表面分别占据不同的吸附位，导致更多的吸附位被占据，而且其中的还原性物质可被O2氧化从而导致O2浓度明显下降。与模拟汽车尾气不同的是，模拟城市大气污染物(含50ppbSO2、100ppbNOx、2ppmHC和50ppbCO)对电池的影响较小，特别是在中低电流密度运行时，其影响基本可以忽略。
研究结果表明，具有酸性特征的SO2和NOx是影响PEMFC的关键空气污染物。为此，本文采用KOH改性的活性炭为吸附剂，设计开发了一种适用于FCV的空气过滤器。将该过滤器与250W的PEMFC电堆进行联测，并经200h的连续运行，试验结果表明，采用该过滤器可有效防范SO2和NOx的毒化作用，明显改善燃料电池在实际环境中的使用寿命。
总之，本文的研究表明，当空气中SO2、NO和HC等污染物的浓度超过一定的限值时，它们都会对PEMFC的性能产生较大影响。在PEMFC的实际应用过程中可以采用前端过滤的办法避免或减缓这些污染物对电池的影响。一旦发生由这些污染物造成的电池性能衰退现象，还可以采用洁净空气吹扫阴极，同时辅以外加电势脉冲原位氧化的方法使之得到一定程度的修复。
本文的结果不仅丰富了PEMFC的研究内容，而且可为FCV控制策略的进一步优化提供重要的实验依据和理论支持，这对FCV的推广应用具有重要的现实意义。