CN111509274A - 一种风冷型金属双极板燃料电池电堆的活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风冷型金属双极板燃料电池电堆的活化方法。本方法包括：1.在一定温度下，利用燃料电池自身反应产生的水，对电极进行初步润湿；2.采用恒电压输出模式，控制反应温度，快速完成电堆的活化。本发明活化过程简单，仅通过工艺参数的调整，完成电堆活化；电堆活化时间在2h以内，活化后的电堆具有良好的电化学性能，满足批量生产的要求。

Description

一种风冷型金属双极板燃料电池电堆的活化方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种风冷型金属板燃料电池电堆的活化方法。
技术背景
与水冷型燃料电池系统相比，风冷型燃料电池系统结构相对简单，在小功率应用方面更具优势，应用范围广泛。风冷型金属板电堆由于空气既作为氧化剂参与反应，又作为冷却剂将电堆产生的部分热量带出，相对于石墨板电堆具有导热好、降温快的优点。但在批量生产过程中，电堆的活化是制约电堆生产效率的主要因素。常用的燃料电池电堆活化方法主要有以下三种工艺：1、恒流自然活化；2、恒流强制活化；3、变流强制活化。目前恒流自然活化和强制恒流活化所采用的电流密度、电池温度和气体压力较低，所用的活化时间也较长，需要经过5～12小时，才可将电堆活化完。活化时间较长不仅效率低而且不能满足电堆批量化生产的需求。
CN108232243A公开了一种质子交换膜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。所述活化过程时间较长，无法满足批量化生产的需求。
CN110416556A公开了一种燃料电池电堆活化的方法，包括采用增湿的氮气，对电堆采用两次预湿活化，然后采用变电流活化，通过测量一定时间内单体电压的变化值ΔV，来判断活化是否结束。所述的活化过程需要使用增湿的氮气，外部辅助设施相对复杂。
因此，在风冷电堆的活化领域尚需一种简单、快速活化方法，能在短时间内完成活化且得到良好的电化学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风冷型燃料电池电堆活化的方法，在充分完成活化过程的基础上缩短活化时间在2小时之内，提高燃料电池活化的效率，满足批量化生产的要求。
为达到目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种风冷型燃料电池电堆活化的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)利用燃料电池自身反应过程产生的水实现电极的自增湿，浸润催化剂表层和内部。
(2)将步骤一得到的燃料电池电堆在较低的单体电压下，采用恒压模式进行快速活化，通过电堆输出电流的变化值ΔA，判断活化是否结束。
本发明步骤一通过较小的活化电流，使电极两侧产生水，实现对催化剂表层和内部的浸润，实现自增湿，同时利用较高的电位消除电极表面的不稳定催化剂和表面杂质。步骤二然后在较低的电压下，恒压运行，利用较高的电流密度和反应生成的水快速对催化剂进行清洗和激活，形成稳定的气体、电子传输通道，本发明通过测试一定时间T内的ΔA的变化来判断电堆是否完成活化，实现燃料电池电堆的快速活化。
优选的，步骤(1)向燃料电极侧供应氢气，同时开启驱风装置，向空气电极侧提供所需空气；给燃料电池一个负荷，使电流密度不大于200mA/cm2的，控制温度在30-50℃之间，运行10-20分钟。
优选的，所述自增湿的过程，是在燃料电极供应燃料，空气电极供应空气，控制堆温T1在30-50℃的情况下，输出电流密度A1为10-200mA/cm2，运行时间t1为10-20分钟。
优选的，所述堆温T1为30-50℃，优选为35-40℃，例如：31℃、32℃、33℃、 34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃、40℃、41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、 46℃、47℃、48℃或49℃等。
优选的，所述电流密度A1为100-200mA/cm2，优选为150-200mA/cm2，例如： 100mA/cm2、110mA/cm2、120mA/cm2、130mA/cm2、140mA/cm2、150mA/cm2、 160mA/cm2、170mA/cm2、180mA/cm2或190mA/cm2等。
步骤(1)所述的自增湿过程运行时间为10-20min，优选为15-20分钟，例如：11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min或19min 等.
步骤(1)所述的燃料包含氢气。
优选的，所述的恒压模式指电堆中单体最低电压控制在0.2-0.4V，优选为 0.25-0.3V，例如：0.21V、0.22V、0.23V、0.24V、0.25V、0.26V、0.27V、0.28 V、0.29V、0.30V、0.31V、0.32V、0.33V、0.34V、0.35V、0.36V、0.37V、 0.38V或0.39V等。
优选的所述的堆温T2为50-60℃，优选为52-55℃，例如：51℃、52℃、53℃、 54℃、55℃、56℃、57℃、58℃或59℃等。
优选的，测温点选择在电堆内部，距离空气出口0-15mm，优选为8-12mm，例如：1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm 或14mm等。
优选的，所述活化结束的标志为，恒压运行10min，所述的电流的变化值ΔA ≤10mA，例如：1mA、2mA、3mA、4mA、5mA、6mA、7mA、8mA、9mA 或10mA等。若ΔA＞10mA，延长活化时间，直至ΔA≤10mA。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.本发明活化过程简单，无需对燃料氢气进行增湿，减少了外部增湿设施，无需使用氮气，直接利用了反应物质氢气和空气来实现自增湿，相比之下，结构简单，操作方便。
2.可将活化时间缩短到2小时之内，提高了生产效率，活化后，电堆化学性能稳定，满足批量化生产的要求。
附图简述
下面结合附图做进一步的说明：
附图1为实施例1的单体极化曲线和功率密度曲线；
附图2为实施例2的单体极化曲线和功率密度曲线；
附图3为实施例3的单体极化曲线和功率密度曲线；
附图4为对比例的单体极化曲线和功率密度曲线；
附图5为对比例的单体极化曲线和功率密度曲线；
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
所用的风冷型金属板电堆，电堆由3片单体组成，每个单体有效面积9cm2。分别向燃料电池阴阳极侧通入氢气和空气，依据有效面积计算输出电流，电流密度取200mA/cm2，即输出电流为1.8A，通过调节进风量，控制电堆温度为 38-40℃，持续20min后，单体电压均值达到0.64V。之后，将电堆输出转换为恒压模式，逐渐调整单体电压，控制单体电压为0.3V，调节进风量，使电堆温度控制在54-55℃，随活化的进行输出电流不断增大，运行90分钟时，ΔA为9mA，活化结束。活化用时110分钟，活化后，在电流密度为500mA/cm2时，功率密度达到0.342W/cm2；与对比例相比，该实施例1活化后的燃料电池具有较优良的性能，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
所用的风冷型金属板电堆，电堆由3片单体组成，每个单体有效面积9cm2。分别向燃料电池阴阳极侧通入氢气和空气，依据有效面积计算输出电流，电流密度取200mA/cm2，即输出电流为1.8A，通过调节进风量，控制电堆温度为 38-40℃，持续20min后，单体电压均值达到0.64V。之后，将电堆输出转换为恒压模式，逐渐调整单体电压，控制单体电压为0.2V，调节进风量，使电堆温度控制在54-55℃，随活化的进行输出电流不断增大，运行90分钟时，ΔA为9mA，活化结束。活化用时110分钟，活化后，在电流密度为500mA/cm2时，功率密度达到0.343W/cm2；与实施例1相比，活化后的电堆性能基本一致，这说明采用本发明的活化方式恒压阶段控制单体电压0.2V或0.3V对电堆性能无明显影响。
实施例3
所用的风冷型金属板电堆，电堆由3片单体组成，每个单体有效面积9cm2。分别向燃料电池阴阳极侧通入氢气和空气，直接采用恒压模式，逐渐调整单体电压，控制单体电压为0.3V，调节进风量，使电堆温度控制在54-55℃，随活化的进行输出电流不断增大，运行110分钟时，ΔA为15mA，活化后，在电流密度为500mA/cm2时，功率密度达到0.32W/cm2；这说明省略掉步骤(一)后，在相同时间内，活化不完全。
对比例
所用的风冷型金属板电堆，电堆由3片单体组成，每个单体有效面积9cm2。分别向燃料电池阴阳极侧通入氢气和空气，采用恒流活化方式。分别在200、 400、600、800、1000mA/cm2活化30min，测得极化曲线如图四，在电流密度为 500mA/cm2时，性能只有0.27W/cm2。之后，在电流密度为1000mA/cm2继续活化2.5h后，测得极化曲线如图五：在电流密度为500mA/cm2时，功率密度达到0.34W/cm2。可以看出采用恒电流活化，要达到较为理想的性能，需要5-6h的活化时间。
以上所述实施例仅表达了本申请的的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种风冷型氢燃料电池电堆活化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1).利用燃料电池自身反应过程产生的水实现电极的自增湿，浸润催化剂表层和内部。
(2).将步骤(1)得到的燃料电池电堆在较低的单体电压下，控制电堆温度，采用恒压模式进行快速活化，通过电堆输出电流的变化值ΔA，判断活化是否结束。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)是在燃料电池通过自身反应产生的水进行电极自增湿的过程；
优选的，所述自增湿的过程，是在燃料电极供应燃料，空气电极供应空气，控制堆温T1在30-50℃的情况下，输出电流密度A1为10-200mA/cm2，运行时间t1为10-20分钟。
优选的，所述堆温T1为30-50℃，优选为35-40℃；
优选的，所述电流密度A1为100-200mA/cm2，优选为150-200mA/cm2。
3.如权利要求1或2所述的方法其特征在于，步骤(1)所述的自增湿过程运行时间为10-20分钟。
4.如权力要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的恒压模式指电堆中单体最低电压控制在0.2-0.4V，优选为0.25-0.3V。
5.如权力要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的堆温T2为50-60℃，优选为52-55℃。
6.如权力要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述活化结束的标志为，运行10分钟，所述的电流的变化值ΔA≤10mA；若ΔA＞10mA，延长活化时间，直至ΔA≤10mA，完成电堆的活化。
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CN114447376A (zh) * 2022-01-18 2022-05-06 同济大学 一种燃料电池电堆的快速活化方法

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