CN110783589B - 一种质子交换膜燃料电池膜电极的快速活化方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极的快速活化方法及其应用，其目的是为了能够使膜电极在更短的时间内达到最佳状态，所述的快速活化方法是电压以恒定速率线性降低的连续高频变电压强制活化。与现有恒电流活化方式相比，本发明提出的活化方式简单易行，可明显缩短活化时间，对提高燃料电池活化效率及节能减排具有重要意义。

Description

一种质子交换膜燃料电池膜电极的快速活化方法及其应用
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池膜电极的快速活化方法及其应用，该方法可明显缩短燃料电池活化所需的时间。
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燃料中的化学能直接转换为电能的能量转换装置，因其具有能量转换效率高、清洁等优点被认为是未来车用动力的理想选择。PEMFC单电池由膜电极组件、双极板、集流体和端板组成，其中膜电极部件（由质子交换膜、催化层和气体扩散层构成）是燃料电池的关键。当燃料电池初次组装完成后，由于质子交换膜和催化层内部缺水，造成质子传导受阻。因此，为了快速构建合理的质子、电子及气液相传导网络，发挥燃料电池最佳性能，需要对燃料电池进行活化操作。
中国专利申请201610519404.0公开了一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，步骤为：将初装完成的电池堆安装在活化台上，检测气密性；在电池堆的阴极和阳极均通入N2，吹扫；设定工作温度；阴极通入RH 80 ％增湿的空气，阳极通入不增湿的H2，常排，气体压力为60-100 Kpa；利用负载对电池堆加载电流，空气和H2的化学计量比分别是3.5和1.5；将空气和H2的化学计量比分别设定成3.0和1.5，在最高电流下持续运行30 min；快速降低电流至0 A，断开电路，通入冷却水冷却电池堆，将电池堆冷却到室温，然后对初装的电池堆进行二次紧固，使电池堆的压缩量达到设定的技术指标，可以简便快速的活化燃料电池电堆至最佳状态。
现有的活化方式通常采用在固定的电流密度下通过长时间恒电流放电进行活化，该活化方式所需时间较长；此外，长时间活化会消耗大量的燃料，浪费资源。因此，为了使膜电极在更短的时间内快速达到最佳状态，寻找一种燃料电池快速活化方式十分必要。
发明内容
为了解决现有活化方式活化时间较长的问题，本发明提供一种质子交换膜燃料电池膜电极的快速活化方法及其应用，其目的是为了能够使膜电极在更短的时间内达到最佳状态，所述的快速活化方法是电压以恒定速率线性降低的连续高频变电压强制活化。与现有恒电流活化方式相比，本发明提出的活化方式简单易行，可明显缩短活化时间，对提高燃料电池活化效率及节能减排具有重要意义。
在本发明的具体的实施方式中，所述的快速活化方法的具体步骤包括：
步骤一：对燃料电池进行试漏和吹扫后，分别向阴阳极通入氧化剂和氢气，然后对燃料电池进行连续高频变电压强制活化，所述的连续高频变电压强制活化是将电压从开路电压以恒定的速率线性降低至预先设定的低电压值，当电池电压降低到该低电压值时，迅速断开电流，电池恢复至开路电压；
步骤二：重复上述活化步骤一，每次活化过程均实时记录其极化曲线及功率密度曲线，若活化后连续三次极化曲线和功率密度曲线基本重合，则活化完成。
在本发明的优选的实施方式中，步骤一中，所述氢气为纯氢气，化学计量比为1.0-1.5，氧化剂为纯氧气或空气，化学计量比为1.0-2.5，工作压力为 0-0.2 Mpa，相对湿度为50-100 %。
在本发明的优选的实施方式中，步骤一中，所述的强制活化的温度条件为50-80℃。
在本发明的优选的实施方式中，步骤一中，所述的恒定的电压变化速率范围为1-50 mV s-1。
在本发明的优选的实施方式中，步骤一中，所述的低电压值范围为0.15-0.4 V。
本发明保护所述的质子交换膜燃料电池膜电极的快速活化方法是在单电池活化或是电堆活化中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点是：通过恒定速率连续高频变电压强制活化，促使电极反应彻底进行，能够快速构建合理的质子、电子及气液相传导网络，该活化方式所需时间仅为60-70 min，比现有的活化方式所需时间更短，可提高燃料电池活化效率，有利于节能减排。
附图说明
下面结合附图做进一步的说明：
图1为实施例1中燃料电池膜电极活化过程的电压随时间变化图；
图2为实施例1中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线；
图3为对比例中燃料电池膜电极活化过程的电流随时间变化图；
图4为对比例中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
将活性面积为5 cm2的膜电极组装至单电池夹具中，并连接至测试仪器上，检测夹具气密性后，向阴阳极通入N2进行吹扫，持续30 s。设定工作温度80 ℃，并分别向阴阳极通入相对湿度为100 %的空气和氢气，化学计量比均为1.5，同时设定气体压力均为0.1 MPa。待温度上升至80 ℃后，对燃料电池进行恒定速率连续变电压强制活化，其活化程序为：将电压从开路电压以4 mV s-1的恒定速率线性降低至预先设定低电压值0.2 V，当单电池电压降低到0.2 V时，迅速断开电流，电池恢复至开路电压（图1）。重复上述活化步骤，每次活化过程均实时记录其极化曲线和功率密度曲线。图2为实施例1中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线，从图2可见，经过60 min的活化后，最大功率密度从初始737.6mW cm-2增加到830.3、 829.4、829.7 mW cm-2（平均值829.8 mW cm-2），平均增加率为12.5%；在1000 mA cm-2时，单电池电压从初始0.635 V上升到0.677、0.674、0.673 V（平均值0.675 V），平均增加率为6.3 %。三条极化曲线与功率密度曲线已经基本重合，说明已完成活化，活化总时长为60 min。与对比例相比，该实施例1活化后的燃料电池膜电极的最大功率密度与输出电压增加率明显高于对比例的增加率，这说明采用本发明的活化方式可有效缩短活化时间。
实施例2
将活性面积为5 cm2的膜电极组装至单电池夹具中，并连接至测试仪器上，检测夹具气密性后，向阴阳极通入N2进行吹扫，持续30 s。设定工作温度80 ℃，并分别向阴阳极通入相对湿度为100 %的空气和氢气，化学计量比均为1.5，同时设定气体工作压力均为0.1MPa。待温度上升至80 ℃后，对燃料电池进行恒定速率连续变电压强制活化，其活化程序为：将电压从开路电压以10 mV s-1的恒定速率线性降低至预先设定低电压值0.2 V，当单电池电压降低到0.2 V时，迅速断开电流，电池恢复至开路电压。重复上述活化步骤，每次活化过程均实时记录其极化曲线和功率密度曲线。结果表明，与对比例相比，该实施例2活化后的燃料电池膜电极的最大功率密度与输出电压增加率仍高于对比例的增加率，这说明采用本发明的活化方式可有效缩短活化时间。
实施例3
将活性面积为5 cm2的膜电极组装至单电池夹具中，并连接至测试仪器上，检测夹具气密性后，向阴阳极通入N2进行吹扫，持续30 s。设定工作温度80 ℃，并分别向阴阳极通入相对湿度为100 %的空气和氢气，化学计量比均为1.5，同时设定气体工作压力均为0.1Mpa。待温度上升至80 ℃后，对燃料电池进行恒定速率连续变电压强制活化，其活化程序为：将电压从开路电压以4 mV s-1的恒定速率线性降低至预先设定低电压值0.3 V，当单电池电压降低到0.3 V时，迅速断开电流，电池恢复至开路电压。重复上述活化步骤，每次活化过程均实时记录其极化曲线和功率密度曲线。结果表明，与对比例相比，该实施例3活化后的燃料电池膜电极的最大功率密度与输出电压增加率仍高于对比例的增加率，这说明采用本发明的活化方式可有效缩短活化时间。
对比例
在相同的测试条件下，分别在300、600、900 mA cm-2电流密度下活化20 min，控制相同的活化时间为60 min，见图3，将恒电流活化方式与本发明活化方式（实施例1、实施例2、实施例3）进行比较，图4为对比例中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线，经过总时长为1 h的活化后，最大功率密度从初始735.2 mW cm-2增加到810.7 mW cm-2，增加率为10.3 %；在1000 mA cm-2时，单电池电压从初始0.650 V上升到0.670 V，增加率为3.1 %。
通过对比可见，采用本发明方法活化后的燃料电池膜电极的最大功率密度与输出电压增加率明显高于采用恒电流活化方式，这说明采用本发明的活化方式可有效缩短活化时间，从而提高燃料电池活化效率，有利于节能减排。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围。

Claims (2)

1.一种质子交换膜燃料电池膜电极的快速活化方法，其特征在于，电压以恒定速率线性降低的连续高频变电压强制活化，具体步骤包括：
步骤一：对燃料电池进行试漏和吹扫后，分别向阴阳极通入氧化剂和氢气，然后对燃料电池进行连续高频变电压强制活化，所述的连续高频变电压强制活化是将电压从开路电压以恒定的速率线性降低至预先设定的低电压值，当电池电压降低到该低电压值时，迅速断开电流，电池恢复至开路电压；
步骤二：重复上述步骤一，每次活化过程均实时记录其极化曲线及功率密度曲线，若活化后连续三次极化曲线和功率密度曲线基本重合，则活化完成；
步骤一中，所述的强制活化的温度条件为50-80 ℃；恒定的电压变化速率范围为1-50mV s-1；所述的低电压值范围为0.15-0.4 V。
2.根据权利要求1所述的快速活化方法在单电池活化或电堆活化中的应用。
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