CN110943243B - 一种燃料电池电堆的活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种燃料电池电堆的活化方法，涉及燃料电池技术领域。主要采用的技术方案为：一种燃料电池电堆的活化方法，包括如下步骤：步骤S1：向待活化的电池堆的阳极通入氢气、阴极通入空气或氧气，并使所述电池堆处于开路状态；步骤S2：对所述电池堆进行间歇性缺氧处理；其中，所述间歇性缺氧处理是：对所述电池堆进行缺氧操作使所述电池堆处于氧饥饿状态后，再进行还原操作；步骤S3：启动负载，选择恒流测试模式，将电池堆加载至设定电流，并使所述电池堆处于稳定工作状态后，对电池堆进行间歇性缺氧处理。本发明主要用于缩短燃料电池堆的活化时间，提高活化效率，减少活化过程中氢气的使用量。

Description

一种燃料电池电堆的活化方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池电堆的活化方法。
背景技术
当今全球能源紧张、油价高涨，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。燃料电池是继水力、火力和原子能发电后的第四代发电技术，也是目前唯一同时兼具无污染、高效率、适用广、无噪声和可连续工作的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。燃料电池的最大特点是反应过程不涉及燃烧，能量转换不受卡诺循环限制，因此能量转换率高达60％-80％，实际使用效率是内燃机的2-3倍。目前，燃料电池已用于航天飞船、汽车、舰船、发电站、移动电话、笔记本电脑等众多领域。燃料电池技术的发展将犹如20世纪初内燃机技术取代人力的工业革命，20世纪60年代计算机取代人脑的信息革命，以及20世纪末改变了人们沟通方式与生活习惯的网络通信革命一样，在21世纪初期将引发新能源与环保的绿色革命。
车载燃料电池电堆性能的高效输出具有实际的应用价值，为了使得燃料电池电堆(简称为“电池堆”)最大限度的体现性能输出，在电池堆装配完成后都需要对电池堆进行相应的活化。电池堆的活化相应的需要燃料、电力、时间及人力的消耗，快速高效的活化电池堆，使电池堆达到最优良的性能输出，成为目前燃料电池行业比较重要的需求。
目前，现有燃料电池电堆的活化方法普遍是在电池堆的阴阳极通气后，在恒流模式下对电堆进行加载电流，通过在高电流条件下的长时间运行达到活化的目的。但是，本发明的发明人发现：采用该方式对燃料电池电堆进行活化时，高电流的运行不仅增加了燃料氢气的消耗，长时间的活性运行也增加了活化运行成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种燃料电池电堆的活化方法，主要目的在于缩短燃料电池堆的活化时间，并减少活化过程中氢气的使用量。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种燃料电池电堆的活化方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1：向待活化的电池堆的阳极通入氢气、阴极通入空气或氧气，并使所述电池堆处于开路状态；
步骤S2：对所述电池堆进行间歇性缺氧处理；其中，所述间歇性缺氧处理是：对所述电池堆进行缺氧操作使所述电池堆处于氧饥饿状态后(在此的“氧饥饿”指的是燃料电池的阴极进气流量不足(如，阴极空气的化学计量比小于1.5)，则燃料电池电堆供氧不足，再进行还原操作；
步骤S3：启动负载，选择恒流测试模式，将电池堆加载至设定电流，并使所述电池堆处于稳定工作状态后，对电池堆进行间歇性缺氧处理。
优选的，在所述步骤S1之前，还包括：步骤S0：将待活化的电池堆安装在测试平台上，启动负载，并对所述电池堆进行预热、吹扫处理；优选的，通入N2对电池堆的阴极和阳极进行吹扫；优选的，吹扫时间为1.5-2.5min；优选的，在所述步骤S0中，所述待活化的电池堆需满足气密性测试标准。
优选的，在所述步骤S1中：所述电池堆的阳极的进气化学计量比为第一设定值；所述电池堆的阴极的进气化学计量比为第二设定值；优选的，所述第一设定值为1.5±0.01；优选的，若所述电池堆的阴极通入的是空气，则所述第二设定值为2.5±0.01；若所述电池堆的阴极通入的是氧气，则所述第二设定值为1.2-1.5。
优选的，所述间歇性缺氧处理的操作步骤为：将所述电池堆的阴极的进气化学计量比由第二设定值降低为第三设定值，保持第一设定时间后，再将所述阴极的进气化学计量比恢复成第二设定值；优选的，在进行间隙性缺氧处理时：重复进行所述间歇性缺氧处理的操作步骤至少一次，优选为3-5次。优选的，当所述电池堆处于氧饥饿状态时：若所述电池堆的最低单体电压低于0.2V时，则进行还原操作，否则使所述电池堆维持氧饥饿状态第一设定时间后再进行还原操作。
优选的，在所述间歇性缺氧处理的操作步骤中：所述第三设定值小于等于1，优选的，所述第三设定值为0.5-1；和/或所述第一设定时间为10±1秒；和/或所述阴极的进气化学计量比由第二设定值降低至第三设定值时经历的时间设定为0.5±0.1秒。
优选的，在所述步骤S3中，所述电池堆处于稳定工作状态是指：在恒流测试条件下，运行第二设定时间，所述电池堆的电压变化量不超过0.01V；优选的，所述第二设定时间为1-5min，优选1.5-2.5min。
优选的，在所述步骤S3中：所述设定电流为以下的任意设定值：所述电池堆额定电流的25-30％、所述电池堆额定电流的45-55％、所述电池堆额定电流的70-80％、所述电池堆额定电流的95-105％、所述电池堆额定电流的120-130％。
优选的，将所述设定电流分别设置成所述电池堆额定电流的25-30％、所述电池堆额定电流的45-55％、所述电池堆额定电流的70-80％、所述电池堆额定电流的95-105％、所述电池堆额定电流的120-130％中的多个值，重复进行步骤S3多次。
优选的，所述燃料电池电堆的活化方法还包括：步骤S4：测试所述电池堆的性能是否达到活化要求；优选的，所述步骤S4包括：在恒流测试模式下，将所述电池堆加载至平均单体电压为设定电压、且最低的单体电压高于0.35V后，运行第三设定时间；其中，在运行过程中，若所述电池堆的电压稳定，则所述电池堆的性能满足活化要求；若所述电池堆的电压不稳定，则返回执行步骤S3。
优选的，所述设定电压为0.48-0.52V，优选为0.5V；和/或所述第三设定时间为30-60min；和/或若所述电池堆的电压变化值小于0.01V，则所述电池堆的电压稳定。
与现有技术相比，本发明的燃料电池电堆的活化方法至少具有下列有益效果：
本发明提供的燃料电池电堆的活化方法，通过在使电池堆处于开路的状态后依次进行对电池堆进行至少一次(优选3-5次)间歇性缺氧处理(即，瞬间降低阴极的进气化学计量比，使电池堆短期处于氧饥饿状态后，再还原操作)后、进行恒流测试模式，且使电池堆在设定电流下运行稳定后，再进行对电池堆进行至少一次(优选3-5次)间歇性缺氧处理操作，最后测试燃料电池堆的性能是否稳定，若稳定则活化完成。在上述步骤中，通过瞬间降低阴极的进气化学计量比，一方面在阴极的氧饥饿条件下有利于质子在阴极侧的累积，使得催化剂的活性位点暴露，同时瞬间降低空气流量，形成压差，有利于阴极产生水分的排出，使得燃料电池的反应处于最佳状态。与现有普通的活化方式(即，现有普通的活化方式需要经过在高电流密度场时间的运行达到活化的目的)相比，本发明通过氧饥饿的方式使得膜电极在短时间内满足湿度要求，激活膜电极，使得膜电极满足放电需求。综上，本发明提供的燃料电池电堆的活化方法能缩短燃料电池堆的活化时间，并减少活化过程中氢气的使用量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的一种燃料电池电堆的活化方案图；
图2是活化前的燃料电池电堆(包括20节单体电堆)、实施例1活化后的燃料电池电堆、比较例1(普通活化方法)活化后的燃料电池电堆的极化曲线的对比图；
图3是活化前的燃料电池电堆(包括160节单体电堆)、实施例2活化后的燃料电池电堆、比较例2(普通活化方法)活化后的燃料电池电堆的极化曲线的对比图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明实施例提供一种燃料电池电堆的活化方法，参见图1，该活化方法具体包括如下步骤：
步骤S0：向待活化的电池堆的阳极通入氢气、阴极通入空气或氧气，并使所述电池堆处于开路状态。其中，该步骤具体包括：
S01：将完成气密性测试的待活化电池堆安装在测试平台上，连接气体和冷却水管道，及电子负载。
在此，活化前需对待活化的电池进行气密性测试，测试方式为通入一定压力在规定时间内，测试压力降，因为膜电极具有一定的透气性，所以压力会有降低(这是膜电极的固有属性，此数据根据实验所得)，因为水场是通过双极板密封的，要求双极板必须处于绝对不漏气状态，根据压力变化判断气密性。测试标准：膜电极的测试压力降标准是根据厂家提供膜电极性能实验所得，水场处于密闭状态，压力降必须为零，根据压力降确定漏不漏气(即，氢、空、水三场气密性测试标准为，通入150Kpa的空气，在5min内压力降氢场≤30Kpa、空场≤30Kpa、水场为无压力降)。
S02：启动负载，使得测试平台与负载进行连接通讯。
S03：设置测试平台水罐预热温度，开启水泵，对准备活化的电堆进行预热处理。
在此，循环水罐的设置温度为75±1℃、空循环水罐的设置温度为65±1℃、空喷淋灌的设置温度为65±1℃、氢循环水罐的设置温度为50±1℃、氢喷淋灌的设置温度为50±1℃。
S04：设置各管路温度，通入N2对电池堆的阴极和阳极进行吹扫。
在此，系统吹扫采用氮气吹扫，吹扫时间为1.5-2.5min，优选为2min。
步骤S1：向待活化的电池堆的阳极通入氢气、阴极通入空气，并使所述电池堆处于开路状态(即，OCV状态)。
该步骤具体为：待吹扫完成后，选择手动测试模式，阳极和阴极分别通入H2和空气，设定氢气和空气的进气化学计量比，保证待活化电池堆处于路开路状态(OCV)。
在该步骤中，所述电池堆的阳极的进气化学计量比为第一设定值；所述电池堆的阴极的进气化学计量比为第二设定值；优选的，所述第一设定值为1.5±0.01；若所述电池堆的阴极通入的是空气，则所述第二设置值为2.5±0.01；若所述电池堆的阴极通入的是氧气，则所述第二设置值为1.2-1.5。
步骤S2：对电池堆进行间歇性缺氧处理；其中，所述间歇性缺氧处理是：对电池堆进行缺氧操作使电池堆处于短期氧饥饿状态后，再进行还原操作。
该步骤具体为：将电池堆的阴极的进气化学计量比由第二设定值降低为第三设定值，保持第一设定时间后，再将阴极的进气化学计量比恢复成第二设定值。
较佳地，在进行间隙性缺氧处理时：重复进行间歇性缺氧处理的操作步骤至少一次，优选为3-5次；
较佳地，当电池堆处于氧饥饿状态时，若电池堆的最低单体电压低于0.2V时，设备自动保护(即，恢复最初的化学计量比)。
较佳地，在所述间歇性缺氧处理的操作步骤中：所述第三设定值小于等于1，优选的，所述第三设定值为0.5-1；第一设定时间为10±1秒；所述阴极的进气化学计量比由第二设定值降低至第三设定值时经历的时间设定为0.5±0.1秒(达到瞬间降低化学计量比目的)。
步骤S3：启动负载，选择恒流测试模式，将电池堆加载至设定电流，并使所述电池堆处于稳定工作状态后，对电池堆进行间歇性缺氧处理。其中，该步骤具体包括：
S31：启动负载，选择恒流测试模式，对电堆进行加载，加载至设定电流时，使得电堆处于稳定工作状态。
S32：将电池堆的阴极的进气化学计量比由第二设定值降低为第三设定值，保持第一设定时间后，再将阴极的进气化学计量比恢复成第二设定值。
在此，所述设定电流为以下的任意设定值：所述电池堆额定电流的25-30％(优选25％)、所述电池堆额定电流的45-55％(优选50％)、所述电池堆额定电流的70-80％(优选75％)、所述电池堆额定电流的95-105％(优选100％)、所述电池堆额定电流的120-130％(优选125％)。
在此，将所述设定电流分别设置成所述电池堆额定电流的25-30％(优选25％)、所述电池堆额定电流的45-55％(优选50％)、所述电池堆额定电流的70-80％(优选75％)、所述电池堆额定电流的95-105％(优选100％)、所述电池堆额定电流的120-130％(优选125％)中的多个值，重复进行步骤S3多次(如，将设定电流设置成所述电池堆额定电流的25％进行一次步骤S3后、再将设定电流设置成所述电池堆额定电流的75％再进行一次步骤S3)。较佳地，S3重复进行的次数为3-5次。
步骤S4：测试所述电池堆的性能是否达到活化要求。
该步骤具体为：对所述电池堆进行加载，加载至平均单体电压为0.5V，且最低单体电压高于0.35V，运行设定时间(优选30min)后，在运行过程中，若所述电池堆的电压稳定，则所述电池堆的性能满足活化要求；若所述电池堆的电压不稳定，则返回执行步骤S3。
本发明的上述活化方法适用于任意节数单体电堆组成的燃料电池电堆。
下面通过具体实验实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例对包括20节单体电堆的燃料电池电堆进行活化，具体包括如下步骤：
步骤S0：将满足气密性测试标准的待活化的电池堆安装在测试平台上，连接气体管路、冷却水管道及电子负载。启动负载，使得测试平台与负载进行连接通讯。设置测试平台水罐预热温度，开启水泵，对准备活化的电堆进行预热处理。设置各管路温度，通入N2对电池堆的阴极和阳极进行吹扫。
步骤S1：待吹扫完成后，选择手动测试模式，向电池堆的阳极和阴极分别通入H2和空气，保证待活化电堆处于路开路状态(OCV)；其中，阳极的氢气进气化学计量比设置成1.5，阴极的空气进气化学计量比设置成2.5。
步骤S2：将电池堆的阴极的进气化学计量比降低至0.5，保持10s后恢复阴极的进气化学计量比至2.5。其中，在电池堆处于氧饥饿状态时，若最低单体电压低于0.2V时，恢复空气的化学计量比至2.5。
重复步骤S2的操作4次。
步骤S3：启动负载，选择恒流测试模式，对电堆进行加载，加载至100A电流(电池堆的额定电流为360A，100A是额定电流的27.8％)，并使电堆处于稳定工作状态。
将电池堆的阴极的进气化学计量比降低至0.5，保持10s后恢复阴极的进气化学计量比至2.5(其中，重复该间歇性缺氧处理操作3-5次)。其中，在电池堆处于氧饥饿状态时，若最低单体电压低于0.2V时，恢复空气的化学计量比至2.5。
在100A的电流下重复步骤S3的操作3次。
步骤S4：对电池堆进行加载，加载至平均单体电压为0.5V，且最低的单体电压高于0.35V，运行30min后，发现电池堆的电压稳定，则电池堆活化完成。
在此，实施例1对电池堆进行活化的时间大约为55min、氢气的消耗量大约2750L。
实施例2
本实施例对包括160节单体电堆的燃料电池电堆进行活化，具体包括如下步骤：
步骤S0：将满足气密性测试标准的待活化的电池堆安装在测试平台上，连接气体管路、冷却水管道及电子负载。启动负载，使得测试平台与负载进行连接通讯。设置测试平台水罐预热温度，开启水泵，对准备活化的电堆进行预热处理。设置各管路温度，通入N2对电池堆的阴极和阳极进行吹扫。
步骤S1：待吹扫完成后，选择手动测试模式，向电池堆的阳极和阴极分别通入H2和空气，保证待活化电堆处于路开路状态(OCV)；其中，阳极的氢气进气化学计量比设置成1.5，阴极的空气进气化学计量比设置成2.5。
步骤S2：将电池堆的阴极的进气化学计量比降低至0.5，保持10s后恢复阴极的进气化学计量比至2.5。其中，在电池堆处于氧饥饿状态时，若最低单体电压低于0.2V时，恢复空气的化学计量比至2.5。
重复步骤S2的操作4次。
步骤S3：启动负载，选择恒流测试模式，对电堆进行加载，加载至100A电流(电池堆的额定电流为360A，100A是额定电流的27.8％)，并使得电堆处于稳定工作状态。
将电池堆的阴极的进气化学计量比降低至0.5，保持10s后恢复阴极的进气化学计量比至2.5(其中，重复该间歇性缺氧处理操作3-5次)。其中，在电池堆处于氧饥饿状态时，若最低单体电压低于0.2V时，恢复空气的化学计量比至2.5。
在100A的电流下重复步骤S3的操作5次。
步骤S4：对电池堆进行加载，加载至平均单体电压为0.5V，且最低的单体电压高于0.35V，运行30min后，发现电池堆的电压稳定，则电池堆活化完成。
在此，实施例2对电池堆进行活化的时间大约为60min、氢气的消耗量大约30000L。
对比例1
对比例1是对包括20节单体电堆的燃料电池电堆进行活化，其活化方法是采用现有的普通活化方法：在恒电流运行模式下，逐渐加载电流，保持最低单体高于0.4V，相当于在高电流密度下持续运行，需要运行180min以上。
对比例1对电池堆进行活化的时间大约为180min、氢气的消耗量至少为18000L。
对比例2
对比例2是对包括160节单体电堆的燃料电池电堆进行活化，其活化方法是采用现有的普通活化方法：在恒电流运行模式下，逐渐加载电流，保持最低单体高于0.4V，相当于在高电流密度下持续运行，需要运行180min以上。
对比例2对电池堆进行活化的时间大约为180min、氢气的消耗量至少为180000L。
通过实施例1、实施例2、比较例1、比较例2及图2、图3可以很明显得看出：相对于现有普通的活化方法，本发明实施例提供的燃料电池电堆的活化方法，在确保优良的性能输出的同时，能缩短燃料电池堆的活化时间，提高活化效率，减少了氢气的用量，从而节约燃料电池堆的活化成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (14)

1.一种燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：向待活化的电池堆的阳极通入氢气、阴极通入空气或氧气，并使所述电池堆处于开路状态；所述电池堆的阳极的进气化学计量比设置成第一设定值；所述电池堆的阴极的进气化学计量比设置成第二设定值；若所述电池堆的阴极通入的是空气，则所述第二设定值为2.5±0.01；若所述电池堆的阴极通入的是氧气，则所述第二设定值为1.2-1.5；
步骤S2：对所述电池堆进行间歇性缺氧处理；其中，所述间歇性缺氧处理是：对所述电池堆进行缺氧操作使所述电池堆处于氧饥饿状态后，再进行还原操作；
步骤S3：启动负载，选择恒流测试模式，将电池堆加载至设定电流，并使所述电池堆处于稳定工作状态后，对电池堆进行间歇性缺氧处理；
其中，所述间歇性缺氧处理的操作步骤为：将所述电池堆的阴极的进气化学计量比由第二设定值降低为第三设定值，保持第一设定时间后，再将所述阴极的进气化学计量比恢复成第二设定值；所述第三设定值为0.5-1；所述阴极的进气化学计量比由第二设定值降低至第三设定值时经历的时间设定为0.5±0.1秒；
在进行间歇 性缺氧处理时：重复进行所述间歇性缺氧处理的操作步骤至少1次；
当所述电池堆处于氧饥饿状态时：若所述电池堆的最低单体电压低于0.2V时，则进行还原操作，否则使所述电池堆维持氧饥饿状态第一设定时间后再进行还原操作。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，还包括：
步骤S0：将待活化的电池堆安装在测试平台上，启动负载，并对所述电池堆进行预热、吹扫处理。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，
通入N2对电池堆的阴极和阳极进行吹扫；其中，吹扫时间为1.5-2.5min；和/或
在所述步骤S0中，所述待活化的电池堆需满足气密性测试标准。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，在所述步骤S1中：
所述第一设定值为1.5±0.01。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，在进行间歇 性缺氧处理时：重复进行所述间歇性缺氧处理的操作步骤3-5次。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，在所述间歇性缺氧处理的操作步骤中：
所述第一设定时间为10±1秒。
7.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述电池堆处于稳定工作状态是指：在恒流测试条件下，运行第二设定时间，所述电池堆的电压变化量不超过0.01V。
8.根据权利要求7所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，
所述第二设定时间为1-5min。
9.根据权利要求8所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，
所述第二设定时间为1.5-2.5min。
10.根据权利要求1-6、8-9任一项所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，在所述步骤S3中：
所述设定电流为以下的任意设定值：所述电池堆额定电流的25-30％、所述电池堆额定电流的45-55％、所述电池堆额定电流的70-80％、所述电池堆额定电流的95-105％、所述电池堆额定电流的120-130％。
11.根据权利要求10所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，将所述设定电流分别设置成所述电池堆额定电流的25-30％、所述电池堆额定电流的45-55％、所述电池堆额定电流的70-80％、所述电池堆额定电流的95-105％、所述电池堆额定电流的120-130％中的多个值，重复进行步骤S3多次。
12.根据权利要求1-6、8-9、11任一项所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，所述燃料电池电堆的活化方法还包括：
步骤S4：测试所述电池堆的性能是否达到活化要求；
其中，所述步骤S4包括：在恒流测试模式下，将所述电池堆加载至平均单体电压为设定电压、且最低的单体电压高于0.35V后，运行第三设定时间；其中，在运行过程中：
若所述电池堆的电压稳定，则所述电池堆的性能满足活化要求；
若所述电池堆的电压不稳定，则返回执行步骤S3。
13.根据权利要求12所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，所述设定电压为0.48-0.52V；和/或
所述第三设定时间为20-30min；和/或
若所述电池堆的电压变化值小于0.01V，则所述电池堆的电压稳定。
14.根据权利要求13所述的燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，
所述设定电压为0.5V。
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