為了降低質子交換膜燃料電池的制造成本，我們通常會使用顆粒很小但表面積很大的碳顆粒負載催化劑在電極上。這種催化劑在陽極幫助質子很快地傳遞到膜上，而在陰極則協助產生水。質子導電電解質如Nafion在這個過程中扮演著重要角色，它有效地將質子在催化劑層內傳遞。質子導電電解質的存在讓催化劑能在三維空間里發揮作用，只有那些直接接觸膜的催化劑才能發揮作用，其他部分催化劑會被浪費掉。

新制造的低負載催化劑PEM燃料電池在開始運行時不會立即達到Z佳性能，通常需要一個預處理或磨合期。在這段時間內，電池性能會逐漸提高，根據不同的元件組合可能需要數小時甚至數天。

這段時間不僅消耗了氫燃料，還會延長整個燃料電池調試過程。本研究通過三種不同的PEM燃料電池活化方法（1，2，3）對催化劑性能提升的影響進行了分析：

一、先CO氧化剝離再升高溫度和壓力（升溫升壓）活化

圖1 鉑負載0.17 mg cm-2 時CO氧化剝離與升溫升壓結合對燃料電池性能的影響

陰極由30%的Nafion和70%的E-TEK 20% Pt/Vulcan XC-72組成，Pt負載為0.17 mg cm-2。

測試在35℃的電池溫度下進行，氫氣和空氣加濕溫度為45℃(35/45/45℃，電池溫度35℃，陽極增濕45℃，陰極增濕45℃。曲線1為電池經過4 h以上的磨合過程后的性能。

在大多數時間內，將電池電壓設置在0.4 V左右，并在上述溫度下周期性地將負載從OCV掃至0.1 V左右。在此過程中，電池性能逐漸提高，但約3 h后，電池性能不再明顯提高。

然后進行了3次CO氧化剝離循環。一次、第二次、第三次CO氧化剝離后的燃料電池性能分別用曲線2、3、4表示。如圖所示，每次CO氧化剝離后，燃料電池的性能都有了相當大的提高。

當進行第四次CO氧化剝離時，沒有觀察到進一步的增加。因此，曲線4代表了該MEA使用CO氧化剝離所能達到的Z佳性能。

將燃料電池暴露在一個升溫升壓過程中，在75/95/90℃和20/30 psig下持續1小時。在條件返回到35/45/45℃后，再次測量其性能。圖1中的曲線5說明了燃料電池的性能得到了進一步的提高。

實際上，無需進行四次CO氧化剝離，僅進行升溫升壓活化即可達到曲線5所示的性能。換句話說，如果使用升溫升壓進行活化，從性能的角度來看，不需要進行任何預先的CO氧化剝離活化。

Z后發現，如果在升溫升壓活化后進行CO氧化剝離，燃料電池的性能可以進一步提高，如圖1曲線6所示。如果在第一次活化之后重復使用升溫升壓進行另一次活化無法實現性能提升。顯然，在升溫升壓活化后進行CO氧化剝離可以進一步提高燃料電池的性能。

圖2 鉑負載0.3 mg· cm-2 時CO氧化剝離與高溫高壓相結合對燃料電池性能的影響

在陰極Pt負載為0.3 mg· cm-2的催化劑涂層膜(CCM)上進行了類似的測試，結果如圖2所示。曲線7是燃料電池在磨合過程完成后的性能。曲線8和曲線9表示兩次CO氧化剝離后的性能。第三次CO氧化剝離時，性能與曲線9相似。

因此，曲線9代表了CO氧化剝離所能達到的Z佳性能。然后在75/95/90℃和20/30 psig下使用升溫升壓進行活化1小時。之后在35/45/45℃下的燃料電池性能如曲線10所示。

顯然，升溫升壓活化實現了顯著的增加。當進行額外的CO氧化剝離時，燃料電池的性能再次提高，如曲線11所示。

二、先析氫再升溫升壓活化

圖3 升溫升壓結合析氫對燃料電池性能的影響

曲線12是完成磨合過程的性能。曲線13、14、15為三次析氫活化循環后的表現。第一次析氫比第二次更能提高燃料電池的性能，第二次比第三次更能提高燃料電池的性能。

之后，將燃料電池暴露在75/95/90℃和20/30 psig的條件下1小時。活化后，再次測試燃料電池在35/45/45℃下的性能，結果如圖3曲線16所示。

通過此活化實現了性能的進一步提高。當使用升溫升壓進行第二次活化時，當電流密度低于1.3 A· cm-2時，燃料電池的性能略有提高，但當電流密度高于1.3 A· cm-2時，性能略有下降。

三、先升溫升壓再析氫和CO氧化剝離    

圖4升溫升壓結合析氫和CO氧化剝離對燃料電池性能的影響

曲線19（對比曲線18）顯示，在活化步驟后，在75/95/90℃和20/30 psig下使用升溫升壓，持續1小時，觀察到性能顯著提高。

然后進行析氫步驟，實現了性能的提高(曲線20與19)。析氫后，進行CO氧化剝離，但沒有觀察到性能的提高(曲線21與曲線20)。這些結果表明，在使用升溫升壓活化后，無論是析氫還是CO氧化剝離都能夠將燃料電池推向Z大性能。

四、結論

這些活化方法是(1)升高溫度和壓力，(2)析氫，(3) CO氧化剝離。這些方法中的任何一種都可以有效地激活PEM燃料電池，但僅使用一種方法無法完成活化。

當方法(2)或(3)在方法(1)之前進行時，活化結果與方法(1)本身相似。換句話說，在實施方法(1)之前，不需要按照方法(2)或(3)進行任何激活。

燃料電池測試系統980pro

但是，在方法(1)之后進行方法(2)或(3)時，可以進一步提高燃料電池的性能，在這種情況下，使用方法(2)或(3)都可以獲得類似的結果。因此，活化程序的Z佳組合是在高溫高壓下進行活化，然后進行析氫或CO氧化剝離，這樣才能大限度提升燃料電池的性能。

參考文獻

 [1] Xu Z , Qi Z , He C ,et al.Combined activation methods for proton-exchange membrane fuel cells[J].Journal of Power Sources, 2006, 156(2):315-320.DOI:10.1016/j.jpowsour.2005.05.072.

以上內容由理化有限公司技術中心整理，有不足之處請指正，轉載請注明出處。