CN101414689A - 一种燃料电池的活化方法 - Google Patents

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李超
张宝春
杨静
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池的活化方法，其为通过控制阴极区氧化气体的配比，以调节从质子交换膜燃料电池中排出的水量，从而使质子交换膜中保持较高的含水量，导致质子交换膜燃料电池处于高性能的工作作态，是一种简单、有效的活化电池的方法。

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。而在电池运行中，质子交换膜传导质子的能力直接取决于其膜内的含水量。当质子穿过质子交换膜时，必须是水化的质子，并且每个水化的质子穿过膜时要携带多于一个的水分子，如果质子交换膜的含水量较少，则质子在其中传导的阻力很大，导致电池的内阻增大，降低质子交换膜燃料电池的工作性能，严重时甚至导致电池无法输出电流。为了使质子交换膜燃料电池处于高性能的工作作态，必须始终保持其中的质子交换膜有较高的含水量。此外，质子交换膜燃料电池如果长期在交换膜失水的干状态下运行，还会极大的降低质子交换膜的寿命。
因此，质子交换膜燃料电池中的水分既是电池工作的产物，又是保证质子交换膜有较高的质子传导能力的介质。质子交换膜的含水量是电池反应产生的水和作为工作气体的燃料气体与氧化气体所排出的水量的动态平衡。而由于电池运行所产生的水主要集中在阴极区，而对于以空气作为氧化剂的质子交换膜燃料电池在运行中所需要的空气流量远远大于氢气的流量，因此反应产生的水主要通过氧化气体排出电池。可见调节燃料电池氧化气体的流量比就可以调节电池中的水平衡，进而控制燃料电池稳定工作。
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，本发明的方法在质子交换膜燃料电池运行时，尤其是在质子交换膜的含水量较低的时候，通过控制阴极区氧化气体的配比，以调节从质子交换膜燃料电池中排出的水量，从而使质子交换膜中保持较高的含水量，导致质子交换膜燃料电池处于高性能的工作作态。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
本发明提供一种燃料电池的活化方法，是在质子交换膜燃料电池形成后，通过对燃料电池的氧化气体的配气量进行改变，来对电池进行充分活化，具体包括如下的步骤：
第一步，将氧化气体的配气量降低至1-5倍当量，运行持续0-30分钟；
第二步，将氧化气体的配气量提高至1-10倍当量，运行持续0-30分钟；
重复上述两个步骤1-500次，直到质子交换膜达到所需要的含水量。
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。
所述的氧化气体的工作压力范围从0Mpa到0.3Mpa。
所述的燃料气体的工作压力范围从0Mpa到0.3Mpa。
所述的燃料气体的工作压力与氧化气体的工作压力可以相同或者不同。
所述的燃料电池为水冷燃料电池或是气冷燃料电池。
所述的气冷燃料电池中，其散热空气风机和反应气体风机可以是同一个也可以是两个风机。
该方法可在电池活化阶段、或是电池运行开始阶段、或是电池运行过程中、或是电池运行结束阶段进行。
本发明提供的燃料电池的活化方法，通过控制阴极区氧化气体的配比，以调节从质子交换膜燃料电池中排出的水量，从而使质子交换膜中保持较高的含水量，导致质子交换膜燃料电池处于高性能的工作作态，是一种简单、有效的活化电池的方法。
附图说明
图1为实施例1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的长期放置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3为实施例3的燃料电池运行一段时间后活化前后性能比较，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4为实施例4的燃料电池运行一段时间后活化前后性能比较，其测试条件：堆温68℃；氢、空气加湿到45℃，湿度100％；空气为0.05Mpa，空气配比为4倍当量；氢气尾气循环，氢气压力为0.05Mpa，氢气配比为1.5倍当量；
图5为实施例5的燃料电池运行一段时间后活化前后性能比较，其测试条件：堆温82℃；氢、空气加湿到65℃，湿度100％；空气为0.2Mpa，空气配比为2.5倍当量；氢气尾气循环，氢气压力为0.2Mpa，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，其氢气配气比为1.5倍当量，空气的配气比为4倍当量。
当电池制成后接通外负载，使其马上投入工作，由于此时电池内质子交换膜的含水量较低，电池性能较低，在额定电压时(单电池电压在0.6V时)，电流仅达到额定电流的1/4(额定电流为20A的燃料电池、其初始电流仅能达到5A左右)。
在连接外负载的情况下，停止向阴极区供应反应空气，此时电池的输出性能急剧下降至端电压为0V而输出电流也为0A，此过程持续10s后恢复反应空气的供给，此时电池的输出性能比之停止供气前有了明显的提高，调节外负载电阻使燃料电池继续在额定电压(单电池电压在0.6V时)下运行10s，再停止反应空气供给，将以上步骤重复30次后，电池达到额定输出性能，电池活化完毕。
活化前后电池性能比较如图1所示，可以看出通过有规律的开关氧化气体可逐步增加电池的输出电流，进而有效的补充膜电极的含水量，提高电池的性能。对于第一活化的电堆来讲提高了活化速度。短时间内，同等电压0.6V时，干膜电流5A，然而活化后的电流可达20A。
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、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。
当电池较长时间放置不用时，电池内的质子交换膜中的水份逐渐蒸发使得质子交换膜的含水量较低，电池性能较低，在额定电压时(单电池电压在0.6V时)，电流仅达到额定电流的1/3(额定电流为20A的燃料电池、其初始电流仅能达到7A左右)。
在连接外负载的情况下，停止向阴极区供应反应空气，此时电池的输出性能急剧下降至端电压为0V而输出电流也为0A，此过程持续5s后恢复反应空气的供给，此时电池的输出性能比之停止供气前有了明显的提高，调节外负载电阻使燃料电池继续在额定电压(单电池电压在0.6V时)下运行10s，再停止反应空气供给，将以上步骤重复15次后，电池达到额定输出性能，电池即可正常向外负载供电。
活化前后电池性能比较如图2所示，可以看出电池长期放置，通过此种活化方法，性能恢复快，效果同样明显。
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。
当电池运行一段时间后，由于反应空气的配比较高，在运行过程中反应空气在电池中带走的水量略大于电池反应产生的水量(这样可以避免电池产生的水量排出不畅，导致膜电极催化层被水淹没，电池性能下降)，因此随着电池的运行，质子交换膜中的含水量逐渐降低，电池性能亦随之降低，在额定电压时(单电池电压在0.6V时)，电流仅达到额定电流的3/4(额定电流为20A的燃料电池、其初始电流仅能达到15A左右)。
此时在连接外负载的情况下，停止向阴极区供应反应空气，电池的输出性能急剧下降至单电池平均电压为0.3V后恢复反应空气的供给，此时电池的输出性能比之停止供气前有了明显的提高，调节外负载电阻使燃料电池继续在额定电压(单电池电压在0.6V时)下运行10s，再停止反应空气供给，将以上步骤重复10次后，电池性能得到恢复，电池即可正常向外负载供电。
活化前后电池性能比较如图3所示，可以看出对长期运行的电堆采用断续养水的办法同样可以改善电池性能。
实施例4
采用低温、低压水冷型氢空燃料电池作为研究对象，电池运行温度在65-70℃，采用循环水泵供给去离子水进行散热，燃料气体为纯氢气，工作压力为0.05Mpa；氧化气体为空气，采用空气泵向电池阴极区配送反应空气，空气工作压力在0.05Mpa，氢气、空气均加热到45℃，湿度均为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。
当电池运行一段时间后，由于反应空气的配比较高，在运行过程中反应空气在电池中带走的水量略大于电池反应产生的水量(这样可以避免电池产生的水量排出不畅，导致膜电极催化层被水淹没，电池性能下降)，因此随着电池的运行，质子交换膜中的含水量逐渐降低，电池性能亦随之降低，在额定电压时(单电池电压在0.6V时)，电流仅达到额定电流的3/4(额定电流为30A的燃料电池、其初始电流仅能达到22A左右)。
此时在连接外负载的情况下，停止向阴极区供应反应空气，电池的输出性能急剧下降至端电压为0V而输出电流也为0A，此过程持续5s后恢复反应空气的供给，此时电池的输出性能比之停止供气前有了明显的提高，调节外负载电阻使燃料电池继续在额定电压(单电池电压在0.6V时)下运行10s，再停止反应空气供给，将以上步骤重复10次后，电池性能得到恢复，电池即可正常向外负载供电。
活化前后电池性能比较如图4所示，可以看出此种办法对于低压水冷堆一样有效。
实施例5
采用高温、高压水冷型氢空燃料电池作为研究对象，电池运行温度在80-85℃，采用循环水泵供给去离子水进行散热，燃料气体为纯氢气，工作压力为0.2Mpa；氧化气体为空气，采用空气泵向电池阴极区配送反应空气，空气工作压力在0.2Mpa，氢气、空气均加热到65℃，湿度均为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2.5倍当量。
当电池运行一段时间后，由于反应空气的温度较高，在运行过程中反应空气在电池中带走的水量略大于电池反应产生的水量(这样可以避免电池产生的水量排出不畅，导致膜电极催化层被水淹没，电池性能下降)，因此随着电池的运行，质子交换膜中的含水量逐渐降低，电池性能亦随之降低，在额定电压时(单电池电压在0.6V时)，电流仅达到额定电流的3/4(额定电流为300A的燃料电池、其初始电流仅能达到220A左右)。
此时在连接外负载的情况下，降低向阴极区供应的反应空气配比至1倍当量(此时应调节电池空气的入口压力，使电池中膜电极两侧氢气和空气的压差低于0.0Mpa，以保证膜电极不会因为两侧压差过大而损坏)，电池的输出性能急剧下降至端电压为0.3V(单电池电压)而输出电流也降为100A以下，此过程持续5s后恢复反应空气的供给，此时电池的输出性能比之停止供气前有了明显的提高，调节外负载电阻使燃料电池继续在额定电压(单电池电压在0.6V时)下运行10s，再降低反应空气配比，将以上步骤重复10次后，电池性能得到恢复，电池即可正常向外负载供电。
活化前后电池性能比较如图5所示，可以看出此种办法对于高压水冷堆效果同样明显。

Claims (6)

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，将氧化气体的配气量降低至1-5倍当量运行0-30分钟；
第二步，将氧化气体的配气量提高至1-10倍当量运行0-30分钟；
重复上述两个步骤1-500次，直到质子交换膜达到所需要的含水量。
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，所述氧化气体的工作压力范围从0Mpa到0.3Mpa。
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，所述的燃料气体的工作压力范围从0Mpa到0.3Mpa。
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，所述的燃料电池为水冷燃料电池或是气冷燃料电池。
5、根据权利要求4所述的燃料电池的活化方法，其特征在于，所述的气冷燃料电池中，其散热空气风机和反应气体风机是同一个风机，或是两个风机。
6、根据权利要求1所述的燃料电池的活化方法，其特征在于，该方法在电池活化阶段、电池运行开始阶段、电池运行过程中、或是电池运行结束阶段进行。
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