CN110676489A - 一种降低mea高频阻抗的方法及得到的燃料电池单电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低MEA高频阻抗的方法及得到的燃料电池单电池堆。所述降低MEA高频阻抗的方法包括如下步骤：(1)对燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别进行润湿过程；(2)控制阴极和阳极的进气压强，向阳极和阴极分别通入燃料气体和空气，进行阶梯式增加电流密度的升载过程，以及阶梯式降低电流密度的降载过程。本发明通过将燃料电池经过一个升载和降载的过程，在短时间内可以快速降低MEA的高频阻抗，使得MEA的高频阻抗始终维持在48～50mΩ/cm2，本发明的方法快速、简单，具有现实指导意义。

Description

一种降低MEA高频阻抗的方法及得到的燃料电池单电池堆
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种降低MEA高频阻抗的方法及得到的燃料电池单电池堆。
背景技术
燃料电池是一种不经过卡诺循环、直接将燃料及氧化剂的化学能转换为电能并释放热的化学装置。燃料电池具有能量转换效率高、低污染、低噪声等优点，备受世界各国重视。尤其是车用领域，日本丰田、本田以及韩国现代已经公开出售(包含租赁)燃料电池商业乘用车，国内上海汽车集团也已经小批量出售燃料电池汽车。为满足燃料电池汽车商业化要求，燃料电池除了进一步提升性能要求，还必须具备良好的可靠性、长寿命以及低成本。而对于车用燃料电池电堆而言，MEA是发电的核心部件。MEA的性能高低决定了电堆输出性能的高低。因此，高性能、高稳定性的MEA是目前的主流方向，MEA在放电时，为了监测MEA内部水含量，高频阻抗是重要的参考参数，如CN109841879A和CN102282710A皆介绍了采用高频阻抗计算含水量的方式。
CN1918739公开了一种用于燃料电池的薄膜，采用所述薄膜可以有效的降低燃料电池的阻抗，但是其制备成本较高，不适于工业化生产。以现阶段来看，大多数MEA厂家采用的是Gore的质子交换膜，其厚度在10～20μm之间，制备的单片MEA的阻抗在40～60mΩ/cm2。由于在电堆测试过程中，温度会超过60℃，MEA的阻抗随着电堆温度的改变而发生较大波动，甚至于高于60mΩ/cm2，这样会降低MEA的性能输出。如果阻抗进一步增加则意味着PEM过干，则会降低PEM的寿命。因此，如何MEA的阻抗维持在一个相对低的水平至关重要。
因此，本领域急需一种新型降低MEA高频阻抗的方法，所述方法工艺简单，可工业化生产，且可以有效的降低燃料电池的电阻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低MEA高频阻抗的方法及得到的燃料电池单电池堆。本发明通过将燃料电池经过一个升载和降载的过程，在短时间内可以快速降低MEA的高频阻抗，使得MEA的高频阻抗始终维持在48～50mΩ/cm2，本发明的方法快速、简单，具有现实指导意义。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种降低MEA高频阻抗的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)对燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别进行润湿过程；
(2)控制阴极和阳极的进气压强，向阳极和阴极分别通入燃料气体和空气，进行阶梯式增加电流密度的升载过程，以及阶梯式降低电流密度的降载过程。
本发明先对燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别进行润湿过程，通过控制升载和降载的过程，使得本发明可以在短时间内快速降低MEA的高频阻抗。本发明工艺简单，适用于工业化应用。
本发明采用阶梯式增加电流密度和阶梯式降低电流密度的方式进行升载和降载，通过快速变载方法，单电池堆在温度较高前，进行PEM的自润湿，能够使得MEA保持较高的性能并稳定输出。
优选地，步骤(2)所述升载过程包括：从初始电流密度阶梯式增加电流密度至终止电流密度。
优选地，所述阶梯式增加的电流密度为0.15～0.25A/cm2，例如0.15A/cm2，0.16A/cm2、0.17A/cm2、0.18A/cm2、0.19A/cm2、0.2A/cm2、0.21A/cm2、0.22A/cm2、0.23A/cm2、0.24A/cm2或0.25A/cm2等。
优选地，步骤(2)每阶梯式增加一个电流密度，在增加电流密度后的工作电流密度下工作25～35s，例如26s、27s、28s、29s、30s、31s、32s、33s或34s等。
优选地，所述终止电流密度为1.8～2A/cm2，例如1.8A/cm2、1.82A/cm2、1.85A/cm2、1.88A/cm2、1.9A/cm2、1.92A/cm2、1.95A/cm2、1.98A/cm2或2A/cm2等。
优选地，所述初始电流密度≤0.1A/cm2，优选为0A/cm2，例如0A/cm2、0.01A/cm2、0.02A/cm2、0.03A/cm2、0.04A/cm2、0.05A/cm2、0.06A/cm2、0.07A/cm2、0.08A/cm2或0.09A/cm2等。
优选地，步骤(2)所述降载过程包括：从终止电流密度阶梯式降低电流密度至完成电流密度。
优选地，步骤(2)所述阶梯式降低的电流密度为0.15～0.25A/cm2，例如0.15A/cm2、0.16A/cm2、0.17A/cm2、0.18A/cm2、0.19A/cm2、0.2A/cm2、0.21A/cm2、0.22A/cm2、0.23A/cm2、0.24A/cm2或0.25A/cm2等。
本发明所述阶梯式降低的电流密度为0.15～0.25A/cm2，在此范围内可以有效的降低MEA高频阻抗。
优选地，所述完成电流密度为0.4～0.5A/cm2，例如0.4A/cm2、0.41A/cm2、0.42A/cm2、0.43A/cm2、0.44A/cm2、0.45A/cm2、0.46A/cm2、0.47A/cm2、0.48A/cm2、0.49A/cm2或0.50A/cm2等。
优选地，步骤(2)所述阴极的进气压强为70～100kPa，例如70kPa、72kPa、75kPa、78kPa、80kPa、82kPa、85kPa、88kPa、90kPa、92kPa、95kPa、98kPa或100kPa等。
优选地，步骤(2)所述阳极的进气压强为90～120kPa，例如90kPa、92kPa、95kPa、98kPa、100kPa、102kPa、105kPa、108kPa、110kPa、112kPa、115kPa、118kPa或120kPa等。
优选地，步骤(2)所述阳极的进气压强>阴极的进气压强。
在本发明中阳极的进气压强>阴极的进气压强，有利于反应正常进行。
优选地，步骤(2)所述燃料气体为氢气。
优选地，步骤(2)所述升载过程和降载过程中，工作电流密度为0～0.5A/cm2，燃料气体的流量为1.57～1.88slpm，空气流量为4.99～6.25slpm。所述工作电流密度为0～0.5A/cm2，例如0A/cm2、0.1A/cm2、0.2A/cm2、0.3A/cm2、0.4A/cm2、0.5A/cm2等；所述燃料气体的流量为1.57～1.88slpm，例如1.57slpm、1.6slpm、1.62slpm、1.65slpm、1.68slpm、1.7slpm、1.72slpm、1.75slpm、1.78slpm、1.8slpm、1.82slpm、1.85slpm或1.88slpm等；所述空气流量为4.99～6.25slpm，例如4.99slpm、5.1slpm、5.2slpm、5.3slpm、5.5slpm、5.6slpm、5.7slpm、5.8slpm、5.9slpm、6slpm、6.1slpm、6.2slpm或6.25slpm等。
优选地，步骤(2)所述升载过程和降载过程中，0.5A/cm2<工作电流密度≤2.0A/cm2，燃料气体的化学计量比为1.5～1.8，空气的化学计量比为2.0～2.5。所述工作电流密度例如0.5A/cm2、0.6A/cm2、0.7A/cm2、0.8A/cm2、0.9A/cm2、1A/cm2、1.1A/cm2、1.2A/cm2、1.3A/cm2、1.4A/cm2、1.5A/cm2、1.6A/cm2、1.7A/cm2、1.8A/cm2、1.9A/cm2、2.0A/cm2等；所述燃料气体的化学计量比为1.5～1.8，例如1.5、1.52、1.55、1.58、1.6、1.62、1.65、1.68、1.7、1.72、1.75或1.78等；所述空气的化学计量比为2.0～2.5，例如2.02、2.05、2.08、2.1、2.12、2.15、2.2、2.25、2.3、2.35、2.4或2.45等。
优选地，步骤(1)所述燃料电池单电池堆的循环水入口温度为55～60℃，例如55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或60℃等。
优选地，步骤(1)所述燃料电池单电池堆的循环水流量为0.28～0.8L/min，例如0.28L/min、0.35L/min、0.4L/min、0.45L/min、0.5L/min、0.55L/min、0.6L/min、0.65L/min、0.7L/min、0.75L/min或0.8L/min等。
优选地，步骤(1)所述燃料电池单电池堆的阴极和阳极的润湿过程包括：向燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别通入加湿氮气。
优选地，所述加湿氮气的通入流量为1.8～3L/min，例如1.8L/min、2L/min、2.2L/min、2.4L/min、2.6L/min、2.8L/min、3L/min等。
优选地，所述燃料电池单电池堆的阴极通入的加湿氮气的湿度为50～70％，例如50％、52％、55％、58％、60％、62％、65％、68％或70％等。
优选地，所述燃料电池单电池堆的阳极通入的加湿氮气的湿度为50～90％，例如50％、52％、55％、58％、60％、62％、65％、68％、70％、75％、78％、80％、82％、85％、88％或90％等。
作为优选技术方案，本发明所述一种降低MEA高频阻抗的方法包括如下步骤：
(1)设定燃料电池单电池堆的循环水入口温度为55～60℃，循环水流量为0.28～0.8L/min，然后向燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别通入流量为1.8～3L/min的加湿氮气，所述阴极通入的加湿氮气的湿度为50～70％，阳极通入的加湿氮气的湿度为50～90％；
(2)控制阴极的进气压强为70～100kPa，阳极的进气压强为90～120kPa，向阳极和阴极分别通入燃料气体和空气，进行升载过程和降载过程；
所述升载过程为：按照每隔0.15～0.25A/cm2阶梯式增加电流密度，从0A/cm2的初始电流密度阶梯式增加至终止电流密度1.8～2A/cm2，每阶梯式增加一个电流密度，在增加电流密度后的工作电流密度下工作25～35s；
所述降载过程为：以阶梯式降低的电流密度0.15～0.25A/cm2，从终止电流密度降至完成电流密度0.4～0.5A/cm2；
所述升载过程和降载过程中，工作电流密度为0～0.5A/cm2，燃料气体的流量为1.57～1.88slpm，空气流量为4.99～6.25slpm；0.5A/cm2<工作电流密度≤2.0A/cm2，燃料气体的化学计量比为1.5～1.8，空气的化学计量比为2.0～2.5。
本发明的目的之二在于提供一种燃料电池单电池堆，所述燃料电池单电池堆通过目的之一所述降低MEA高频阻抗的方法得到。
优选地，所述燃料电池单电池堆中MEA的高频阻抗为48～50mΩ/cm2，例如48.2mΩ/cm2、48.5mΩ/cm2、48.8mΩ/cm2、49mΩ/cm2、49.2mΩ/cm2、49.5mΩ/cm2或49.8mΩ/cm2等。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明先对燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别进行润湿过程，通过控制升载和降载的过程，使得本发明可以在短时间内快速降低MEA的高频阻抗，从60mΩ/cm2左右降至48～50mΩ/cm2。本发明工艺简单，适用于工业化应用。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种降低MEA高频阻抗的方法包括如下步骤：
(1)设定燃料电池单电池堆的循环水入口温度为60℃，循环水流量为0.3L/min，然后向燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别通入流量为2L/min的加湿氮气，所述阴极通入的加湿氮气的湿度为55％，阳极通入的加湿氮气的湿度为65％；
(2)控制阴极的进气压强为90kPa，阳极的进气压强为100kPa，向阳极和阴极分别通入燃料气体(氢气)和空气，进行升载过程和降载过程；
所述升载过程为：按照每隔0.2A/cm2阶梯式增加电流密度，从0A/cm2的初始电流密度阶梯式增加至终止电流密度2A/cm2，每增加一个电流密度，在增加电流密度后的工作电流密度下工作30s；
所述降载过程为：以阶梯式降低电流密度0.2A/cm2，从终止电流密度2A/cm2降至完成电流密度0.5A/cm2；
所述升载过程和降载过程中，工作电流密度为0～0.5A/cm2，燃料气体(氢气)的流量为1.57slpm，空气流量为4.99slpm；0.5A/cm2<工作电流密度≤2.0A/cm2，燃料气体(氢气)的化学计量比为1.5，空气的化学计量比为2.0。
实施例2
与实施例1的区别在于，步骤(2)所述升载过程中阶梯式增加的电流密度为0.15A/cm2，阶梯式降低的电流密度为0.15A/cm2。
实施例3
与实施例1的区别在于，步骤(2)所述升载过程中阶梯式增加的电流密度为0.25A/cm2，阶梯式降低的电流密度为0.25A/cm2。
实施例4
与实施例1的区别在于，步骤(2)所述升载过程中阶梯式增加的电流密度为0.1A/cm2。
实施例5
与实施例1的区别在于，步骤(2)所述升载过程中阶梯式增加的电流密度为0.3A/cm2。
实施例6
与实施例1的区别在于，步骤(2)所述降载过程中阶梯式降低的电流密度为0.15A/cm2。
实施例7
与实施例1的区别在于，步骤(2)所述降载过程中阶梯式降低的电流密度为0.25A/cm2。
实施例8
与实施例1的区别在于，步骤(2)所述降载过程中阶梯式降低的电流密度为0.1A/cm2。
实施例9
与实施例1的区别在于，步骤(2)所述降载过程中阶梯式降低的电流密度为0.3A/cm2。
实施例10
一种降低MEA高频阻抗的方法包括如下步骤：
(1)设定燃料电池单电池堆的循环水入口温度为60℃，循环水流量为0.28L/min，然后向燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别通入流量为2.2L/min的加湿氮气，所述阴极通入的加湿氮气的湿度为70％，阳极通入的加湿氮气的湿度为90％；
(2)控制阴极的进气压强为70kPa，阳极的进气压强为90kPa，向阳极和阴极分别通入燃料气体(氢气)和空气，进行升载过程和降载过程；
所述升载过程为：按照每隔0.2A/cm2阶梯式增加电流密度，从0A/cm2的初始电流密度阶梯式增加至终止电流密度2A/cm2，每增加一个电流密度，在增加电流密度后的工作电流密度下工作25s；
所述降载过程为：以阶梯式降低电流密度0.2A/cm2，从终止电流密度2A/cm2降至完成电流密度0.4A/cm2；
所述升载过程和降载过程中，工作电流密度为0～0.5A/cm2，燃料气体(氢气)的流量为1.88slpm，空气流量为6.25slpm；0.5A/cm2<工作电流密度≤2.0A/cm2，燃料气体(氢气)的化学计量比为1.7，空气的化学计量比为2.1。
实施例11
一种降低MEA高频阻抗的方法包括如下步骤：
(1)设定燃料电池单电池堆的循环水入口温度为60℃，循环水流量为0.32L/min，然后向燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别通入流量为1.8L/min的加湿氮气，所述阴极通入的加湿氮气的湿度为60％，阳极通入的加湿氮气的湿度为80％；
(2)控制阴极的进气压强为100kPa，阳极的进气压强为120kPa，向阳极和阴极分别通入燃料气体(氢气)和空气，进行升载过程和降载过程；
所述升载过程为：按照每隔0.2A/cm2阶梯式增加电流密度，从0A/cm2的初始电流密度阶梯式增加至终止电流密度2A/cm2，每增加一个电流密度，在增加电流密度后的工作电流密度下工作35s；
所述降载过程为：以阶梯式降低电流密度0.2A/cm2，从终止电流密度2A/cm2降至完成电流密度0.45A/cm2；
所述升载过程和降载过程中，工作电流密度为0～0.5A/cm2，燃料气体(氢气)的流量为1.88slpm，空气流量为6.25slpm；0.5A/cm2<工作电流密度≤2.0A/cm2，燃料气体(氢气)的化学计量比为1.8，空气的化学计量比为2.2。
对比例1
实施例1中步骤(1)的燃料电池单电池堆，即未采用本发明的方法降低MEA高频阻抗。
性能测试：
(1)MEA的高频阻抗测试：将各实施例得到的燃料电池单电池堆按照每隔0.2A/cm2开始升载到2.0A/cm2，每一个工作点(每增加一个电流密度)维持15min，采用高频阻抗测试仪记录对应的电压和高频阻抗值。
表1
高频阻抗(mΩ/cm<sup>2</sup>)
实施例1 48.5
实施例2 50
实施例3 49.2
实施例4 62.0
实施例5 63.0
实施例6 49.8
实施例7 49.3
实施例8 62.0
实施例9 61.0
实施例10 48.9
实施例11 49.0
对比例1 63.0
通过表1可以看出，本发明实施例4和实施例5相对于实施例1中高频阻抗较大，因为实施例4中升载过程中阶梯式增加的电流密度为0.1A/cm2，阶梯式增加的电流密度过小，实施例5中升载过程中阶梯式增加的电流密度为0.3A/cm2，阶梯式增加的电流密度过大，增加的电流密度过小或过大皆会使得PEM的自润湿较差，进而使得MEA的活化性能较差；
本发明实施例8和实施例9相对于实施例1中高频阻抗较大，因为实施例8降载过程中阶梯式降低的电流密度为0.1A/cm2，阶梯式降低的电流密度过小，实施例9降载过程中阶梯式降低的电流密度为0.3A/cm2，阶梯式降低的电流密度过大，本发明中阶梯式降低的电流密度过小或过大皆会使得PEM的自润湿较差，进而使得MEA的活化性能较差。
由本发明对比例和实施例1可以看出，本发明的方法具有快速降低高频阻抗的效果，使得MEA保持较高的性能并稳定输出。
本发明实施例以阶梯式降低或升高电流密度过程中，存在不能完全整除的情况，则在此情况下，最后一次增加的数值可不同，只增加至终止电流密度(例如实施例2中，最后一次增加0.05A/cm2)。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种降低MEA高频阻抗的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)对燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别进行润湿过程；
(2)控制阴极和阳极的进气压强，向阳极和阴极分别通入燃料气体和空气，进行阶梯式增加电流密度的升载过程，以及阶梯式降低电流密度的降载过程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述升载过程包括：从初始电流密度阶梯式增加电流密度至终止电流密度；
优选地，所述阶梯式增加的电流密度为0.15～0.25A/cm2；
优选地，步骤(2)每阶梯式增加一个电流密度，在增加电流密度后的工作电流密度下工作25～35s；
优选地，所述终止电流密度为1.8～2A/cm2；
优选地，所述初始电流密度≤0.1A/cm2，优选为0A/cm2。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述降载过程包括：从终止电流密度阶梯式降低电流密度至完成电流密度；
优选地，步骤(2)所述阶梯式降低的电流密度为0.15～0.25A/cm2；
优选地，所述完成电流密度为0.4～0.5A/cm2。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述阴极的进气压强为70～100kPa；
优选地，步骤(2)所述阳极的进气压强为90～120kPa；
优选地，步骤(2)所述阳极的进气压强>阴极的进气压强；
优选地，步骤(2)所述燃料气体为氢气。
5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述升载过程和降载过程中，工作电流密度为0～0.5A/cm2，燃料气体的流量为1.57～1.88slpm，空气流量为4.99～6.25slpm；
优选地，步骤(2)所述升载过程和降载过程中，0.5A/cm2<工作电流密度≤2.0A/cm2，燃料气体的化学计量比为1.5～1.8，空气的化学计量比为2.0～2.5。
6.如权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述燃料电池单电池堆的循环水入口温度为55～60℃；
优选地，步骤(1)所述燃料电池单电池堆的循环水流量为0.28～0.8L/min。
7.如权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述燃料电池单电池堆的阴极和阳极的润湿过程包括：向燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别通入加湿氮气；
优选地，所述加湿氮气的通入流量为1.8～3L/min；
优选地，所述燃料电池单电池堆的阴极通入的加湿氮气的湿度为50～70％；
优选地，所述燃料电池单电池堆的阳极通入的加湿氮气的湿度为50～90％。
8.如权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)设定燃料电池单电池堆的循环水入口温度为55～60℃，循环水流量为0.28～0.8L/min，然后向燃料电池单电池堆的阴极和阳极分别通入流量为1.8～3L/min的加湿氮气，所述阴极通入的加湿氮气的湿度为50～70％，阳极通入的加湿氮气的湿度为50～90％；
(2)控制阴极的进气压强为70～100kPa，阳极的进气压强为90～120kPa，向阳极和阴极分别通入燃料气体和空气，进行升载过程和降载过程；
所述升载过程为：按照每隔0.15～0.25A/cm2阶梯式增加电流密度，从0A/cm2的初始电流密度阶梯式增加至终止电流密度1.8～2A/cm2，每阶梯式增加一个电流密度，在增加电流密度后的工作电流密度下工作25～35s；
所述降载过程为：以阶梯式降低电流密度0.15～0.25A/cm2，从终止电流密度降至完成电流密度0.4～0.5A/cm2；
所述升载过程和降载过程中，工作电流密度为0～0.5A/cm2，燃料气体的流量为1.57～1.88slpm，空气流量为4.99～6.25slpm；0.5A/cm2<工作电流密度≤2.0A/cm2，燃料气体的化学计量比为1.5～1.8，空气的化学计量比为2.0～2.5。
9.一种燃料电池单电池堆，其特征在于，所述燃料电池单电池堆通过权利要求1～8之一所述降低MEA高频阻抗的方法得到。
10.如权利要求9所述的燃料电池单电池堆，其特征在于，所述燃料电池单电池堆中MEA的高频阻抗为48～50mΩ/cm2。
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