[发明专利]通过使用电极反转来恢复燃料电池性能的方法

说明书

本发明提供一种用于恢复燃料电池性能的方法，其通过电极反转而使电极特性再生，以便部分恢复退化的聚合物电解质燃料电池的性能。该方法包括通过向退化的燃料电池堆的阳极供应空气并向其阴极供应氢来反转电极，以及通过向所反转的电极施加电流来执行脉冲操作。

技术领域

本公开内容涉及通过使用电极反转恢复燃料电池性能的方法，更具体地，涉及通过电极反转使电极特性再生以部分恢复退化的聚合物电解质燃料电池性能的燃料电池性能恢复方法。

背景技术

通常，燃料电池堆包括聚合物电解质膜。膜电极组件(MEA)由空气电极(阴极)和燃料电极(阳极)组成，空气电极(阴极)和燃料电极(阳极)作为催化剂层涂布在电解质膜的两个表面，以使氢和氧可相互反应。在空气电极和燃料电极所在的外部，气体扩散层(GDL)和垫片相继堆叠。隔板连接到气体扩散层的外侧，在气体扩散层中形成用于供应燃料和排出反应所生成的水的流场，从而形成电池单元。

因此，在燃料电池堆的燃料电极中进行氢氧化反应(HOR)，以生成氢离子(质子)和电子。此时产生的氢离子和电子，分别通过电解质膜和隔板移动到空气电极。在空气电极中，通过电化学反应生成水，电化学反应中的质子和电子移自燃料电极。涉及空气中的氧，并且同时，由电子的流动产生电能。

构成燃料电池堆内部电极的阳极和阴极包括碳和铂，且众所周知的是，燃料电池堆的性能在工作一段时间后由于碳、铂以及膜的退化而劣化。

在燃料电池的工作期间，铂催化剂经历由大小相应于数个纳米颗粒的阴极的铂表面上形成的氧化膜(Pt^-氧化物、Pt^-OH、Pt^-O和PtO₂)由于数个纳米颗粒的聚集或铂自身的溶解而导致的电化学表面积(ECSA)的减小。铂催化剂中断反应性氧在铂表面上的吸附，降低阴极中氧还原反应(ORR)的速率，从而导致整个电池性能的下降。此外，包括在燃料中的数ppm的一氧化碳(CO)化学吸附于铂上，并降低HOR的效率。另外，众所周知的是，驱动高功率车辆时所产生的局部温度增加使膜的孔结构收缩，或使离聚物磺酸基(SO₃^-)端基重排，从而导致离子传导性降低。然而，通常，由于铂和碳的退化导致的性能劣化被认为是不可逆的退化，且尚没有广泛研究用于恢复性能的方法。

燃料电池电解质膜退化的代表性实例包括由于阳极中钌(Ru)的分解导致的催化剂碳间隙的减少。阴极中铂的溶解使ECSA减小，且阴极中排水特性的劣化引起溢流(flooding)。电解质膜的分解减小厚度和针孔形成。

同时，在抑制碳腐蚀的各种技术中，已经开发出阻断空气被引入到阴极侧的方法。然而，该方法未能作为根本的途径完全阻断空气向阴极侧的引入。通过暂时阻断空气经其被供应到阴极侧的路线，获得抑制碳腐蚀的效果。

负责将氢离子从阳极转移到阴极的电解质膜在燃料电池堆的耐久性能方面是重要的。需要用于确定退化(其导致燃料电池堆性能的劣化及其使用寿命的减少)并恢复电解质膜特性的方法作为应对性能退化的措施，以保证耐久性能。

作为相关技术中恢复燃料电池性能的方法，韩国专利申请公开第2007-95684号提出用于活化包括发电单元的被动式燃料电池系统的方法，该燃料电池系统具有分别在两侧设有阳极和阴极(暴露于大气)的膜。该方法包括通过将水循环到阳极中而使膜水合，以及通过施加电压到阳极和阴极，同时分别向阳极和阴极供应含氢燃料和空气，使发电单元人工发电和工作。

日本专利申请公开第2008-235093号提出用于恢复燃料电池特性的方法。该方法包括通过使用惰性气体作为运载气体，向燃料电池中氧化剂电极或燃料电极供应相对湿度为80％或更大的高度湿化的气体，以及通过洗涤燃料电池中的催化剂层而去除杂质。