CN108232243A - 一种质子交换膜燃料电池的活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种质子交换燃料电池的活化方法，包括于质子交换膜燃料电池阴极通入增湿氮气，阳极通入增湿氢气，检查质子交换膜燃料电池气密性；设置电池工作温度；达到设置温度后，持续保持阴极氮气和阳极氢气通入2‑3h；将阴极通入气体转换为增湿的氧气和/或空气，对所述质子交换膜燃料电池进行极化性能测试和/或循环伏安法测试5‑10次，再次将阴极通入气体转换为增湿氮气，并保持10‑20min；重复步骤四10‑20次，至所述质子交换膜燃料电池极化性能保持稳定。所述活化方法简单快速；通常可以在较短时间完成质子交换燃料电池活化，极大缩短有序电池活化时间；适用于活化有序质子交换燃料电池，也可用于多功率级别的质子交换燃料电池以及质子交换膜燃料电堆。

Description

一种质子交换膜燃料电池的活化方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池的活化方法。
背景技术
因具有能量密度高、启动快速、零污染等特点，质子交换膜燃料电池近些年受到国内外研究机构的广泛关注。质子交换燃料电池包括膜电极、垫片和双极板。其中垫片起到缓冲和固定作用；双极板一般为带有流场的石墨或金属；膜电极由质子交换膜、阴阳极催化层和阴阳极扩散层组成。通过上述装置组装电极在一定氢气和氧气或空气供应时便可以产生电能。
目前很多研究人员主要研究气体、电子和质子有序传质的膜电极并采用上述电极组装质子交换膜燃料电池以降低催化剂成本和提高催化剂效率。质子交换膜燃料电池在组装后不会直接使用，需要对电池活化以提高催化剂使用和效率以达到最佳工作点。然而采用有序膜电极组装的质子交换膜燃料电池的活化方法，很少文献和专利涉及。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的活化方法，本发明的方法可以简洁快速地质子交换燃料电池至最佳状态，可用于多功率级别的质子交换燃料电池以及质子交换膜燃料电池电堆。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种质子交换燃料电池的活化方法，包括以下步骤，
步骤一：将质子交换膜燃料电池置于测试平台上，阴极通入增湿氮气，阳极通入增湿氢气，检查质子交换膜燃料电池气密性；上述步骤使得质子交换膜燃料电池在进行气密性检查的同时，对电极首先进行了预增湿；
步骤二：设置电池工作温度为60-90℃；活化工程中电池温度的设置与电池实际工作过程中设置的温度相同，使催化剂在燃料电池工作温度发挥最大活性，较少催化剂活化时间；
步骤三：在质子交换膜燃料电池达到设置温度后，持续保持阴极氮气和阳极氢气通入2-3h；上述过程的目的是对电池进行进一步的增湿，使增湿的水能深入到有序化结构的膜电极内部；有序化结构膜电极催化层由有序载体和分布于有序载体表面的有序催化剂组成，有序催化剂呈现柱状结构从而提高粗糙度，进而引起催化层不易增湿；
步骤四：将阴极通入气体转换为增湿氧气或空气，对所述质子交换膜燃料电池进行极化性能或者循环伏安测试5-10次后，再次将阴极通入气体转换为增湿氮气，并保持10-20min；电池性能测试或循环伏安测试主要是为了对有序化膜电极中催化剂进行活化，同时反应产生水对催化剂进一步增湿，缩短电池活化时间；常有活化方法为小电流恒流活化，该方法仅保证催化剂在所测试电流下性能到达最优，无法保证催化剂在所有电流密度下的催化活性，而采用本专利所述方法可以保证催化剂各个电流密度活性，同时减少活化时间；
步骤五：重复步骤三和步骤四10-20次，至所述质子交换膜燃料电池极化性能保持稳定。重复上述步骤在于进一步增湿和活化催化剂；
所述增湿氮气中的水蒸气含量为70-100％；所述增湿氢气中的水蒸气含量为70-100％；所述增湿氧气或空气中水蒸气含量为70-100％。
步骤一、步骤三和步骤四中阴极氮气和阳极氢气气体流速的比1：1—10：1；步骤四中阴极空气或氧气与阳极氢气气体流速的比1：1—10：1；
步骤四所述增湿空气和/或氧气的气体流速随测试次数的不同可以相同或不同，且最好保证即第一次气体流速和最后一次测试的气体流速应小于，它们之间的某一次测试时的气体流速。
所述增湿氮气、增湿氢气、增湿空气或氧气的气体流速为50ml min-1-5000ml min-1。
对所述质子交换膜燃料电池进行极化性能测试和/或循环伏安法测试，是指对质子交换膜燃料电池阴极和阳极之间进行IV测试和/或循环伏安法。
所述质子交换膜燃料电池的电极为有序化膜电极。质子交换膜燃料电池膜电极包括催化层、扩散层和电解质膜，或质子交换膜燃料电池膜电极包括催化层和电解质膜；有序化结构膜电极催化层由有序载体层和分布于有序载体表面的催化剂组成，柱状载体与扩散层或电解质膜表面成70-90度夹角竖直附着于扩散层或电解质膜表面，形成有序载体层；柱状催化剂附着于柱状载体表面，柱状催化剂与柱状载体表面间成30-90度夹角。
所述质子交换燃料电池的活化方法，其特征在于：所述催化层中的催化剂为铂、钯、钌、金、银、铱、钴、锰、铜、铁中的一种或两种以上。
本发明所示质子交换膜燃料电池活化方法，具有以下好处：
1本发明的质子交换燃料电池活化方法简单快速；通常可以在较短时间完成质子交换燃料电池活化，极大缩短有序电池活化时间；
2本发明适用于活化有序质子交换燃料电池，也用于多功率级别的质子交换燃料电池以及质子交换膜燃料电堆。
附图说明
图1为实施例1和对比例1有序质子交换膜燃料电池活化前后IV曲线。
具体实施方式
实施例1
质子交换膜燃料电池膜电极包括催化层、扩散层和电解质膜。有序化结构膜电极催化层由有序载体和分布于有序载体表面的有序催化剂组成，有序载体垂直于扩散层，呈圆锥状结构；有序催化剂分布于有序载体，呈现柱状结构。
质子交换燃料电池组装后进行电池活化，具体方法如下：
步骤一：将质子交换膜燃料电池置于测试平台上，阴极通入增湿氮气，阳极通入增湿氢气，检查质子交换膜燃料电池气密性；
步骤二：设置电池工作温度为70℃；
步骤三：在质子交换膜燃料电池达到设置温度后，持续保持阴极氮气和阳极氢气通入2h；氢气流速为500ml min-1，氮气流速为500ml min-1。
步骤四：将阴极通入气体转换为增湿氧气和/或空气，氧气和/或空气流速为500mlmin-1，对所述质子交换膜燃料电池进行极化性能测试或循环伏安法测试6次，再次将阴极通入气体转换为增湿氮气，并保持15min；
步骤五：重复步骤三和步骤四10次，至所述质子交换膜燃料电池极化性能保持稳定。
活化前后电池性能如图1所示，电池性能提升1.2倍，活化时间为8h。
对比例1
质子交换膜电池结构与实施例1相同
质子交换燃料电池组装后进行电池活化，具体方法如下：
步骤一：将质子交换膜燃料电池置于测试平台上，阴极通入增湿氮气，阳极通入增湿氢气，检查质子交换膜燃料电池气密性；
步骤二：设置电池工作温度为70℃；
步骤三：在质子交换膜燃料电池达到设置温度后，持续保持阴极氮气和阳极氢气通入2h；氢气流速为500ml min-1，氮气流速为500ml min-1。
步骤四：将阴极通入气体转换为增湿氧气和/或空气，氧气和/或空气流速为500mlmin-1，保持电流密度为100mA cm-2进行恒流放8h；然后测试电池性能6次，获得稳定电池性能。

Claims (7)

1.一种质子交换燃料电池的活化方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：将质子交换膜燃料电池置于测试平台上，阴极通入增湿氮气，阳极通入增湿氢气，检查质子交换膜燃料电池气密性；
步骤二：设置电池工作温度为60-90℃；
步骤三：在质子交换膜燃料电池达到设置温度后，持续保持阴极氮气和阳极氢气通入2-3h；
步骤四：将阴极通入气体转换为增湿的氧气和/或空气，对所述质子交换膜燃料电池进行极化性能测试和/或循环伏安法测试5-10次，再次将阴极通入气体转换为增湿氮气，并保持10-20min；
步骤五：重复步骤四10-20次，至所述质子交换膜燃料电池极化性能保持稳定。
2.如权利要求1所述质子交换燃料电池的活化方法，其特征在于：
所述增湿氮气的相对湿度为70-100％；所述增湿氢气中的相对湿度为70-100％；所述增湿氧气和/或空气中相对湿度为70-100％。
3.如权利要求1所述质子交换燃料电池的活化方法，其特征在于：
步骤一、步骤三和步骤四中阴极氮气和阳极氢气气体流速的比1：1—10：1；步骤四中阴极空气和/或氧气与阳极氢气气体流速的比1：1—10：1。
4.如权利要求1所述质子交换燃料电池的活化方法，其特征在于：
所述增湿氮气、增湿氢气、增湿空气和/或氧气的气体流速为50mlmin-1-5000ml min-1。
5.如权利要求1所述质子交换燃料电池的活化方法，其特征在于：步骤四所述增湿空气和/或氧气的气体流速随测试次数的不同可以相同或不同，且最好保证即第一次气体流速和最后一次测试的气体流速应小于，它们之间的某一次测试时的气体流速。
6.如权利要求1所述质子交换燃料电池的活化方法，其特征在于：
所述质子交换膜燃料电池的电极为有序化膜电极；
质子交换膜燃料电池膜电极包括催化层、扩散层和电解质膜，或质子交换膜燃料电池膜电极包括催化层和电解质膜；有序化结构膜电极催化层由有序载体层和分布于有序载体表面的催化剂组成，柱状载体与扩散层或电解质膜表面成70-90度夹角竖直附着于扩散层或电解质膜表面，形成有序载体层；柱状催化剂附着于柱状载体表面，柱状催化剂与柱状载体表面间成30-90度夹角。
7.如权利要求6所述质子交换燃料电池的活化方法，其特征在于：所述催化层中的催化剂为铂、钯、钌、金、银、铱、钴、锰、铜、铁中的一种或两种以上。
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