為了降低質(zhì)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(fù)載催化劑在電極上。這種催化劑在陽極幫助質(zhì)子很快地傳遞到膜上，而在陰極則協(xié)助產(chǎn)生水。質(zhì)子導(dǎo)電電解質(zhì)如Nafion在這個過程中扮演著重要角色，它有效地將質(zhì)子在催化劑層內(nèi)傳遞。質(zhì)子導(dǎo)電電解質(zhì)的存在讓催化劑能在三維空間里發(fā)揮作用，只有那些直接接觸膜的催化劑才能發(fā)揮作用，其他部分催化劑會被浪費掉。

新制造的低負(fù)載催化劑PEM燃料電池在開始運行時不會立即達(dá)到最佳性能，通常需要一個預(yù)處理或磨合期。在這段時間內(nèi)，電池性能會逐漸提高，根據(jù)不同的元件組合可能需要數(shù)小時甚至數(shù)天。

這段時間不僅消耗了氫燃料，還會延長整個燃料電池調(diào)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(jìn)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(fù)載0.17 mg cm-2 時CO氧化剝離與升溫升壓結(jié)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(fù)載為0.17 mg cm-2。

測試在35℃的電池溫度下進(jìn)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(jīng)過4 h以上的磨合過程后的性能。

在大多數(shù)時間內(nèi)，將電池電壓設(shè)置在0.4 V左右，并在上述溫度下周期性地將負(fù)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(jìn)行了3次CO氧化剝離循環(huán)。第一次、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(dāng)大的提高。

當(dāng)進(jìn)行第四次CO氧化剝離時，沒有觀察到進(jìn)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(dá)到的最佳性能。

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(xù)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(jìn)一步的提高。

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

最后發(fā)現(xiàn)，如果在升溫升壓活化后進(jìn)行CO氧化剝離，燃料電池的性能可以進(jìn)一步提高，如圖1曲線6所示。如果在第一次活化之后重復(fù)使用升溫升壓進(jìn)行另一次活化無法實現(xiàn)性能提升。顯然，在升溫升壓活化后進(jìn)行CO氧化剝離可以進(jìn)一步提高燃料電池的性能。

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

在陰極Pt負(fù)載為0.3 mg· cm-2的催化劑涂層膜(CCM)上進(jìn)行了類似的測試，結(jié)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(dá)到的最佳性能。然后在75/95/90℃和20/30 psig下使用升溫升壓進(jìn)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(xiàn)了顯著的增加。當(dāng)進(jìn)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(jié)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(huán)后的表現(xiàn)。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(jié)果如圖3曲線16所示。

通過此活化實現(xiàn)了性能的進(jìn)一步提高。當(dāng)使用升溫升壓進(jìn)行第二次活化時，當(dāng)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(dāng)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(jié)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(xù)1小時，觀察到性能顯著提高。

然后進(jìn)行析氫步驟，實現(xiàn)了性能的提高(曲線20與19)。析氫后，進(jìn)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(jié)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?qū)⑷剂想姵赝葡蜃畲笮阅堋?/p>

四、結(jié)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(dāng)方法(2)或(3)在方法(1)之前進(jìn)行時，活化結(jié)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(jìn)行任何激活。

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但是，在方法(1)之后進(jìn)行方法(2)或(3)時，可以進(jìn)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(jié)果。因此，活化程序的最佳組合是在高溫高壓下進(jìn)行活化，然后進(jìn)行析氫或CO氧化剝離，這樣才能最大限度提升燃料電池的性能。

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