CN103928695A - 一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法，该方法采用低-高-低循环电流法，利用大功率负载对电堆加载电流，同时分别在电堆的阴极和阳极通入饱和增湿的空气和无增湿的氢气，增湿质子交换膜，建立反应通道，促使催化剂均匀分散，从而恢复低效膜电极的性能。与现有技术相比，本发明适用于质子交换膜燃料电池组，在不拆装电池组的情况下，通过简单快速的处理，即可恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能，且不破坏膜电极的结构。

Description

一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应将氧化剂和燃料的化学能直接转化为电能的发电装置，具有高效、对环境友好等特点，同时还具有寿命长、比功率与比能量大、工作温度低、结构紧凑，并可对负荷变化快速响应等优点，在便携式电源、可移动动力电源等方面有着极为广阔的应用前景。
膜电极作为质子交换膜燃料电池的核心部件，通常由阴极、质子交换膜及阳极三者压合在一起而成。膜电极放在阳极燃料的导流板和阴极氧化剂的导流板中间，这样组成的燃料电池称为单电池。为了增加燃料电池的输出总功率，需要将多个单电池按照串联的方式联成燃料电池电堆。电堆采用前端板、后端板及螺杆紧固在一起。
随着质子交换膜燃料电池研究的深入，电池的耐久性问题受到人们广泛的关注和重视。长时间运行后，电池的性能会逐渐衰减，主要是由于电池中关键材料的老化、降解或损伤导致其功能衰减，从而影响到整个电池组的性能。关键材料主要包括电解质膜、电催化剂、电极以及双极板等，运行过程中这些材料的形态和性能会逐渐老化衰退。而电池结构设计不合理和操作条件不当则会加速关键材料的衰减过程，从而加速电池性能的衰减，降低电池寿命。
膜电极中的高分子电解膜制备工艺复杂，贵金属催化剂pt价格昂贵，备用电源用电堆通常是在恒电流下工作，依靠鼓风机供给的空气质量较差，而在低湿低流量的空气下长时间运行会对膜和催化剂造成损伤，导致电池性能的下降。目前关于恢复电堆中质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法的报道还甚少。
发明专利“一种使毒化的质子交换膜燃料电池性能恢复的方法”(申请号：200510136748.5，公开日：2007年7月4日)，主要适用于单节电池，针对H2S等气体杂质使催化剂中毒后的性能恢复，不适用于电堆在低湿低流量的空气下长时间运行的性能衰减，该方法功能有限，实用性较差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可延长电堆的使用寿命的恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法，其特征在于，该方法采用低-高-低循环电流法，利用大功率负载对电堆加载电流，同时分别在电堆的阴极和阳极通入饱和增湿的空气和无增湿的氢气，增湿质子交换膜，建立反应通道，促使催化剂均匀分散，从而恢复低效膜电极的性能。
所述的方法具体包括以下步骤：
(1)将N2通入池堆的阴极和阳极，进行吹扫；
(2)在电堆的冷却流体通道中输入60℃的去离子水，利用去离子水对电堆进行升温至60℃；
(3)在阴极和阳极分别通入饱和增湿的空气和无增湿的氢气；
(4)利用负载对电堆加载电流，按照间隔10A为一阶梯的方式，电流由开路逐步加载至350A，每个电流下的持续时间为0.5～6分钟；
(5)快速降低负载电流至开路状态，待1分钟后重新加载电流，至电堆性能的恢复。
步骤(4)所述的对电堆加载电流为200～350A时，每个电流下的持续时间为2～6分钟。
根据电堆性能的恢复情况，加载电流周期为2次或以上。
本发明在不拆装电池组的情况下，通过简单快速的处理，即可恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能，且不破坏膜电极的结构。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.利用大功率负载，通入反应气体，可以有效的增湿质子交换膜，重新建立反应通道，促使催化剂分散均匀，使低效的膜电极性能恢复；
2.本发明适用于燃料电池堆，可以恢复单片或多片低效膜电极的性能；
3.本发明不需要拆装电池堆，且不破坏膜电极的结构，即可恢复低效膜电极的性能；
4.本发明方法简单方便，实用性强，可在较短的时间内恢复电极的性能；
5.本发明延长了燃料电池堆的使用寿命，有效的解决了恶劣环境下电堆性能衰减的问题，推动了燃料电池的发展。
附图说明
图1为本发明实施例下电堆中单节电池在处理前和处理后的电压-电流曲线；
图2为本发明实施例110节电堆在处理前和处理后的电压-电流曲线；
图3为本发明实施例处理后的110节电堆在恒电流下的电压-时间曲线；
图4为本发明实施例50节电堆在处理前和处理后的电压-电流曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
选择备用电源(燃料电池备用电源)中单节电池性能衰减严重的电堆，测试该节电池的电压-电流曲线，见图1所示。对电堆通入N2进行吹扫，在电堆的冷却流体通道中输入60℃的去离子水，利用去离子水对电堆进行升温至60℃，阴极(空气通道)和阳极(氢气通道)分别通入饱和增湿的空气和无增湿的H2，利用负载对电堆加载电流，按照间隔10A为一阶梯的方式，电流由开路逐步加载至200A，每个电流下的持续时间为0.5分钟，继续加载电流至350A，每个电流下的持续时间为2-6分钟，快速降低负载电流至开路状态，电流按此由低-高-低循环加载2次，电池的活性面积为250cm2。电流加载处理完成后，再测定该节电池的电压-电流曲线，见图1所示。
实施例2：
对性能衰减的备用电源110节电堆进行处理，与实施例1不同之处为：循环电流加载4次。处理前和处理后电堆的电压-电流曲线见图2所示。
处理完的电堆在额定电流130A下恒电流运行，监测电堆电压随时间的变化，记录电压-时间曲线，见图3所示。
实施例3：
采用低-高-低循环电流法处理性能衰减的备用电源50节电堆，处理前和处理后电堆的电压-电流曲线见图4所示。
上述实施例仅为3案例，本发明不限于此例。通过实施例可以看出，备用电源长时间运行后，电堆中的单节电池或电堆的整体性能会发生衰减，此时采用加载低-高-低循环电流的办法，可以恢复膜电极的性能，且稳定性良好，延长了电堆的使用寿命。

Claims (4)

1.一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法，其特征在于，该方法采用低-高-低循环电流法，利用大功率负载对电堆加载电流，同时分别在电堆的阴极和阳极通入饱和增湿的空气和无增湿的氢气，增湿质子交换膜，建立反应通道，促使催化剂均匀分散，从而恢复低效膜电极的性能。
2.根据权利要求1所述的一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法，其特征在于，所述的方法具体包括以下步骤：
(1)将N2通入电堆的阴极和阳极，进行吹扫；
(2)在电堆的冷却流体通道中输入60℃的去离子水，利用去离子水对电堆进行升温至60℃；
(3)在阴极和阳极分别通入饱和增湿的空气和无增湿的氢气；
(4)利用负载对电堆加载电流，按照间隔10A为一阶梯的方式，电流由开路逐步加载至350A，每个电流下的持续时间为0.5～6分钟；
(5)快速降低负载电流至开路状态，待1分钟后重新加载电流，至电堆性能恢复。
3.根据权利要求2所述的一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法，其特征在于，步骤(4)所述的对电堆加载电流为200～350A时，每个电流下的持续时间为2～6分钟。
4.根据权利要求2所述的一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法，其特征在于，根据电堆性能的恢复情况，加载电流周期为2次或以上。
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