本文提出了几种恢复燃料电池电动汽车(FCEV)中性能衰减的燃料电池堆性能的方法。恢复过程主要致力于减少在汽车运行过程中在阴极侧铂催化剂表面形成的氧化层，以及使磺化阴离子(sulfonated anion)解吸(desorption)。应用这些恢复方法后，燃料电池堆的性能有可能部分恢复约20-30%。此外，预计通过应用恢复过程，最终可提高燃料电池的耐久性。
01 阴极氢气吹扫法恢复性能
用作燃料电池催化剂的纳米级铂具有相对较大的比表面积，因此在空气中易发生如下铂氧化反应而被氧化，在氢气氛围中则会发生铂还原反应而被还原。
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铂氧化反应：
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铂还原反应：
如此一来，在氢气氛围下，铂催化剂表面形成的氧化膜会通过阴极催化剂层的铂还原反应被去除，催化剂层的金属接触面积会因氧化膜被去除的区域而增加。结果，具有高催化活性的金属催化剂的活性位点增多，降低了电极的活化过电位，提高了单电池的功率输出。
为验证这种恢复效果，本研究选取了由几百个单电池组成、已衰减约13.6%的电池堆。在恢复操作前的预处理阶段，对该电池堆施加一个在开路电压(OCV)和电流密度0.8A/cm2之间循环的预定负载序列。在恒定的相对湿度(RH)、反应气体化学计量比(SR)和温度条件下，此过程重复3次。
恢复方法包括以下步骤：向已衰减的燃料电池堆的阴极供应充分饱和的氢气一段预定时间，将燃料电池堆密封一段预定时间，在完全饱和的条件下，使阴极电位维持在标准氢电极(SHE)电位附近，从而使氧化层得以还原，上述步骤重复三次以上。
恢复过程的结果如图1所示，通过IV极化测量得到的平均单电池电压在包括开路电压在内的整个电流密度范围内均有所增加。在电流密度为0.6A/cm2时，初始衰减率为13.6%，随着恢复次数的增加，该衰减率分别降至11.3%、10.0%和9.0%。由此可见，在0.6A/cm2的电流密度下，燃料电池堆的发电功率部分恢复了约20-30%。
图2显示，几百个单电池的平均电压在第一次试验后大幅增加，而在后续恢复过程中，恢复速率似乎有所减缓。
02 阴极氢气泵入法恢复性能
通过在阴极侧进行氢气泵入(H2 pumping)操作，可高效分解Pt-Ox。图3展示了一种恢复阴极Pt/C催化活性的方法，即在停止供应空气、仅向燃料电池堆供应氢气的状态下，使用负载装置持续施加预定负载。在此条件下，阳极氢气氧化反应产生的质子和电子会移动到阴极，从而在阴极产生氢气，更有效地去除阴极催化剂表面的氧化物。
对衰减的电池堆应用氢气泵入过程后，图4显示通过IV极化测量得到的平均单电池电压在整个电流密度范围内均有所增加。在电流密度为0.6A/cm2时，初始衰减率约为10%，随着恢复次数的增加，该衰减率分别降至9.0%、7.3%和6.3%。除了铂表面氧化层的减少，在氢气泵入气氛下，磺化阴离子SO3-的吸附也更易被去除，这是因为在未供应氧气且施加负载的情况下，阴极电位会略微低于标准氢电极电位。
要更确切地了解电压升高的原因，还需对铂表面以及铂与离聚物之间的界面进行基础实验研究。与上一节所述的氢气吹扫法类似，衰减的电池堆采用氢气泵入法后，性能提升约30%。此外，与氢气吹扫法相比，恢复时间大幅缩短至原来的十分之一。
03 恢复后的表面化学变化
为表征恢复后Pt/C催化剂的表面化学性质，使用AXIS NOVA系统进行了X射线光电子能谱(XPS)分析。数据采集过程中，腔室内的残余气体压力低于1*10-8托。光谱在室温下采用Al Kα辐射获取。利用非线性最小二乘曲线拟合程序对所得的C1s和Pt4f峰光谱进行分析。图5和表1展示了恢复前后碳载体C1s光谱的解卷积结果。如前所述，在碳氧化过程中，不可逆反应占主导。因此，恢复后碳表面C - C芳香键的比例并无显著变化。
然而，如图6和表1所示，Pt-Ox(-OH，-O，-O2)的比例从34.5%降至31.8%，而裸铂金属的比例则从65.3%增至68.1%。XPS分析表明，恢复后活性金属铂的增加可提高阴极Pt/C催化剂的交换电流密度，从而使图1中各电流密度下的性能均得到提升。除了Pt-Ox的去除，SO3-阴离子的解吸也可能是性能提升的另一个原因，因为在完全饱和氢电位区域的恢复操作条件下，吸附在铂表面的阴离子很容易解吸。
04 结论
通过对失活Pt/C催化剂活化过程的研究发现，燃料电池堆的性能能够部分提升约20-30%。通过在阴极进行氢气吹扫或氢气泵入操作，铂溶解过程中的中间产物Pt-Ox(-OH，-O)会部分被还原，从而提高催化活性。XPS 分析结果证实了这一点，活性铂金属的含量从65.3%增加到68.1%，而Pt-Ox的含量相应减少。本研究表明，汽车运行后性能衰减的燃料电池堆可实现部分性能恢复。通过应用恢复操作，有望最终提高燃料电池的耐久性。
韩国现代详解燃料电池堆可逆衰减下的催化剂性能恢复方法
