CN101414688A - 一种燃料电池的活化方法 - Google Patents

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张宝春
张文虎
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池的活化方法，其为通过多次重复连续地分段地强制提高燃料电池的输出电流，降低燃料电池的输出电压后再连续地分段地减小电池的输出电流提高电池的输出电压的操作步骤，来提高燃料电池催化层的催化活性，提高膜电极的含水量，提高膜电极的性能，从而对电池进行充分活化，使电池发出本来具备的高性能。

Description

一种燃料电池的活化方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体地说是涉及一种燃料电池的活化方法，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池的活化方法。
背景技术
燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化为低压直流电的装置。燃料电池具有能量效率高、没有或极少产生污染物排放等优点，这是传统的化石燃料所不具备的。在当今化石燃料即将耗竭的形势下，燃料电池作为新能源越来越受到重视。
质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种。在这种电池中氢气或富含氢气的气体作为燃料，氧气或含氧气的空气作为氧化剂。燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了质子。质子交换膜帮助质子从阳极区迁移到阴极区。在阴极区氧气在催化剂表面得到电子形成负离子并与阳极区迁移过来的质子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用下式表示：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
由上式可以看出，在质子交换膜燃料电池中，这种质子交换膜既起到分隔氧化气体和燃料气体的作用，又起到传导质子的作用。质子交换膜一般使用以—CF2—为主链，以磺酸基(—SO3H)为末端官能团的带有侧链的材料，其在含水时可以具备质子传导性电解质的性能。因此，在质子交换膜燃料电池呈工作状态时，电解质一般需为含水状态，含水状态的电解质呈强酸性。
但是，这种质子交换膜燃料电池很难在瞬时获得高性能的电池输出。在形成质子交换膜燃料电池后马上使其工作时，即使将电池温度维持在规定温度，将供给气体的温度和加湿量控制在一定程度，一般也难以在瞬时获得高性能的电池输出。其原因在于，一方面，由于对电池的电极扩散层进行了防水处理，因此要使完全未润湿的初期电极扩散层进行水合需要较长时间；另一方面，与包含在电极催化剂中的高分子电解质同样的材料的充分吸湿也需要较长时间；再者，即使将电池温度维持在规定温度，并长时间提供温度、加湿量控制在规定程度的供给气体，但在无负载状态下，要使电极扩散层水合也不容易，而且与包含在电极催化剂中的高分子电解质同样的材料也难以吸湿，若以高电流密度连续发电，勉强在数日后可能会使电池发出本来具备的高性能电池功率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池的活化方法，可以解决上述问题，本发明的方法通过在活化中多次重复连续地分段地强制提高燃料电池的输出电流，降低燃料电池的输出电压后，再连续地分段地减小电池的输出电流提高电池的输出电压的操作步骤，可以在较短的时间内对燃料电池进行充分的活化，使电池发出本来具备的高性能，该方法是一种效果较好的燃料电池活化方法。
本发明的目的是通过如下的技术方案进行的：
本发明提供的燃料电池的活化方法，是在质子交换膜燃料电池形成后，通过一种特定的发电程序，对电池进行充分活化，具体包括如下的步骤：
第一步，连续地分段地强制提高燃料电池的输出电流，降低燃料电池的输出电压；
第二步，连续地分段地减小电池的输出电流，提高电池的输出电压；
重复上述两个步骤，直到达到电池的设计输出性能。
在本发明的技术方案中，在上述第一步中，优选将单电池的输出电压降低至0-0.5V，在上述第二步中，优选将单电池的输出电压提高至0.4-0.8V。
在本发明的技术方案中，在上述第一步中，优选将单电池的输出电压降低至0.3-0.8V，在上述第二步中，优选将电池开路。
在本发明的技术方案中，燃料电池中所使用的燃料气体为氢气，所使用的氧化气体为氧气或空气。
在本发明的技术方案中，所使用的燃料气体可以加湿，也可以不加湿。
在本发明的技术方案中，所使用的氧化气体可以加湿，也可以不加湿。
在本发明的技术方案中，所述的设计输出性能根据电池材料的不同，膜电极制作工艺不同，工作条件的不同而不同。
本发明提供的燃料电池的活化方法通过多次重复连续地分段地强制提高燃料电池的输出电流，降低燃料电池的输出电压后再连续地分段地减小电池的输出电流提高电池的输出电压的操作步骤，来提高燃料电池催化层的催化活性，提高膜电极的含水量，提高膜电极的性能，从而对电池进行充分活化，使电池发出本来具备的高性能。
附图说明
图1为实施例1中的燃料电池活化前后性能比较，其测试条件：堆温50℃；氢、空气均不加湿；空气为常压，空气配比为4倍当量；氢气尾气循环，氢气压力为0.03Mpa，氢气配比为1.5倍当量；
图2为实施例2中的燃料电池活化前后性能比较，其测试条件：堆温50℃；氢气不加湿，空气加热到45℃，湿度为100％；空气为常压，空气配比为4倍当量；氢气尾气循环，氢气压力为0.03Mpa，氢气配比为1.5倍当量；
图3为实施例3中的燃料电池活化前后性能比较，其测试条件：堆温50℃；氢气、空气均加热到45℃，湿度为100％；空气为常压，空气配比为4倍当量；氢气尾气循环，氢气压力为0.03Mpa，氢气配比为1.5倍当量。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的活化方法作进一步说明。
实施例1
采用常温、常压风冷型氢空燃料电池作为研究对象，电池运行温度在48-50℃，采用离心风机供给常压空气进行散热，燃料气体为纯氢气，工作压力为0.03Mpa；氧化气体为空气，采用离心风机向电池阴极区配送反应空气，空气工作压力在500pa以下，氢气、空气均不加湿，氢气采用尾气循环结构，其配比为1.5倍当量，空气的配比为4倍当量。
当按照常规的方法制成燃料电池后，接通外负载，按表1所示的放电程序进行活化，其中，第一步为连续地分段地强制提高燃料电池的输出电流，降低燃料电池的输出电压；第二步为连续地分段地减小电池的输出电流，提高电池的输出电压。循环放电120分钟后达到设计输出性能，电池活化完毕。
表1、电池活化程序一
 
活化步骤 单电池平均电压(V) 工作时间(S)
第一步 0.3 30
第二步 0.6 30
比较活化前后电池性能，如图1所示，可以看出按表1这样循环放电活化电池，可以稳定地提高电池的电性能，迅速达到活化的目的。
实施例2
同样采用常温、常压风冷型氢空燃料电池作为研究对象，电池运行温度在48-50℃，采用离心风机供给常压空气进行散热，燃料气体为纯氢气，工作压力为0.03Mpa；氧化气体为空气，采用离心风机向电池阴极区配送反应空气，空气工作压力在500pa以下，氢气不加湿，空气加热到45℃，湿度为100％，氢气采用尾气循环结构，其配比为1.5倍当量，空气的配比为4倍当量。
当按照常规的方法制成燃料电池后，接通外负载，按表2所示的放电程序进行活化，其中，第一步为连续地分段地强制提高燃料电池的输出电流，降低燃料电池的输出电压；第二步为将电池开路。循环放电90分钟后达到设计输出性能，电池活化完毕
表2、电池活化程序二
 
活化步骤 单电池平均电压(V) 工作时间(S)
第一步 0.6 30
第二步 电池开路 30
第三步 0.4 30
第四步 电池开路 30
第五步 0.3 30
第六步 电池开路 30
比较活化前后电池性能，如图2所示，可以看出采用该方法活化电池，同等电压下得到更大的电流，增大了电池的活性。
实施例3
同样采用常温、常压风冷型氢空燃料电池作为研究对象，电池运行温度在48-50℃，采用离心风机供给常压空气进行散热，燃料气体为纯氢气，工作压力为0.03Mpa；氧化气体为空气，采用离心风机向电池阴极区配送反应空气，空气工作压力在500pa以下，氢气、空气均加热到45℃，湿度为100％，氢气采用尾气循环结构，其配比为1.5倍当量，空气的配比为4倍当量。
当按照常规的方法制成燃料电池后，接通外负载，按表3所示的放电程序进行活化，其中，第一步为连续地分段地强制提高燃料电池的输出电流，降低燃料电池的输出电压；第二步为将电池开路。循环放电90分钟后达到设计输出性能，电池活化完毕
表3、电池活化程序三
 
活化步骤 单电池平均电压(V) 工作时间(S)
第一步 0.8 30
第二步 电池开路 30
第三步 0.6 30
第四步 电池开路 30
第五步 0.3 30
第六步 电池开路 30
第七步 0.6 30
第八步 电池开路 30
比较活化前后电池性能，如图3所示，可以看出分段活化电池，可以将电池充分的活化，增大额定电压下的输出电流。一般设定单电池额定电压为0.6V。这种温和的活化方式可以减少对膜的损坏。

Claims (5)

1、一种燃料电池的活化方法，该燃料电池所使用的燃料气体为氢气，所使用的氧化气体为氧气或空气，该方法是在质子交换膜燃料电池形成后，通过如下的步骤对电池进行活化：
第一步，连续地分段地强制提高燃料电池的输出电流，降低燃料电池的输出电压；
第二步，连续地分段地减小电池的输出电流，提高电池的输出电压；
重复上述两个步骤，直到达到电池的额定输出性能。
2、根据权利要求1所述的燃料电池的活化方法，其特征在于，所述第一步中，将单电池的输出电压降低至0-0.5V；所述第二步中，将单电池的输出电压提高至0.4-0.8V。
3、根据权利要求1所述的燃料电池的活化方法，其特征在于，所述第一步中，将单电池的输出电压降低至0.3-0.8V；所述第二步中，将电池开路。
4、根据权利要求1、2或3所述的燃料电池的活化方法，其特征在于，所述燃料气体为加湿或不加湿的。
5、根据权利要求1、2或3所述的燃料电池的活化方法，其特征在于，所述的氧化气体为加湿或不加湿的。
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