CN111525156A - 一种质子交换膜燃料电池堆的活化方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池堆的活化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池堆的活化方法。本发明的活化方法包括电流加载前的预湿活化、阴极采用不增湿的空气替代增湿空气对电池进行变电流强制放电处理。本发明通过预湿使质子交换膜和电极充分湿润，同时利用开路电压清除电极表面不稳定的催化剂和杂质，使膜电极快速激活；采用干空气代替加湿空气进行变电流强制活化，能够避免电堆在大电流情况下堵水出现严重的浓差极化从而影响电堆性能，同时变电流强制活化可以在较短的时间内让电堆在高工作电流下达到最佳性能，本发明的活化方法能够加快质子交换膜燃料电池堆的活化效率，不需要频繁切换气源，简化了操作步骤，适用于各种额定功率的燃料电池堆。

Description

一种质子交换膜燃料电池堆的活化方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池堆的活化方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种将燃料和氧化剂中储存的化学能经过电化学反应直接转化为电能的装置，它以启动快、效率高、能量密度大、噪音低、零排放等优点受到人们的广泛注意, 被认为是替代内燃机成为未来车用动力的主流形式。为了使质子交换膜燃料电池有一个良好的水气传输和质子传导环境，需要对新制作的燃料电池电堆进行活化处理。膜电极作为燃料电池的核心部件，由阴阳极扩散层、阴阳极催化层和质子交换膜五部分组成。在活化过程中主要对膜电极部件的催化层和质子交换膜进行活化，以提高催化层特别是阴极催化层催化剂的利用率和使质子交换膜充分水合。
目前，燃料电池电堆活化通常采用强制恒电流或者强制恒电压放电的方式来活化膜电极，通过使燃料电池电堆长时间处于大电流或小电压下来实现对膜电极的活化，目的是在大电流下膜电极电化学反应产生的水在阴极逐渐增多，产物水向电池外部扩散的过程中，一方面改善了阴极催化层的孔结构，使水和气体能更顺畅的通过；另一方面产物水也可以通过质子交换膜反扩散到阳极侧，提升了质子交换膜的水合程度，提高了质子向阴极侧传导的速率，同时也降低了燃料电池电堆的内阻。但这种方法存在不足：质子交换膜燃料电池电堆在大电流状态下运行时，阴极侧扩散层中水含量容易过量，造成膜电极水淹，阻碍产物水和气体的传输，导致催化层催化剂的利用率降低，影响催化层表面的电化学反应，进而影响质子交换膜燃料电池堆的活化效果，因此在活化过程中水管理影响着燃料电池堆的活化效率和效果，如果水管理不当，会造成缺水或水淹。
为了改善上述问题，CN110416556A公开了一种燃料电池堆的活化的方法，但是活化方法操作复杂，需要多次切换气体，仅适合小功率电堆或单体电池，对数百节电池的大功率电堆来说气体切换比较缓慢，需要浪费大量的气体和时间进行气体吹扫，在电堆实际操作中也容易因为部分膜电极欠气而发生反极反应，对燃料电池造成不可逆损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供了一种质子交换膜燃料电池堆的活化方法。本发明通过预湿使质子交换膜和电极充分湿润，同时利用开路电压清除电极表面不稳定的催化剂和杂质，使膜电极快速激活；采用不加湿的空气代替加湿的空气进行变电流强制活化，能够避免电堆在大电流情况下堵水出现严重的浓差极化影响电堆性能，同时变流强制活化可以在较短的时间内让电堆在高工作电流下达到最佳性能，本发明的活化方法能够加快质子交换膜燃料电池堆的活化效率，不需要频繁切换气源，简化了操作步骤，适用于各种额定功率等级的燃料电池堆。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池堆的活化方法，包括以下步骤：
（1）将质子交换膜燃料电池堆平稳放置在测试台上，阴极和阳极通入氮气，吹扫5-10min；
（2）开启加热和冷却水循环装置，控制燃料电池堆的温度不超过65℃；
（3）按一定的化学计量比通入气体，阴极通入加湿空气，阳极通入加湿氢气，持续30-60min，对电堆进行预湿活化处理；
（4）关闭空气加湿通道，打开空气干气通道；
（5）开启电子负载，对电堆进行变电流强制放电活化；
（6）观察放电过程中电堆同一个电压下的电流差，当同一个电压下的电流差小于或等于5A时活化完成，当同一个电压下电流差大于5A时重复步骤（5）。
步骤（3）中通入加湿空气的化学计量比为1-3，通入加湿氢气的化学计量比为1-3。
步骤（3）中通入的空气和/或氢气的相对湿度为80%-100%。
步骤（5）中对电堆进行变电流强制放电活化时氢气的相对湿度为80%-100%，空气的相对湿度为0。
步骤（5）中变电流强制放电时空气的化学计量比为1-3，氢气的化学计量比为1-3。
步骤（5）中变电流强制放电过程中当电流加载到电堆单池电压为0.6-0.65V后开始降电流，以20-50A为一个工况点，每个工况点下保持10-30 min，直到电堆单池电压为0.7-0.75V时，再以20-50A为一个工况点升电流到电堆单池电压为0.6-0.65V。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的活化方法具有操作简洁、活化效率高，能够用于不同功率级别的质子交换膜燃料电池。
2、本发明通过向质子交换膜燃料电池阳极侧和阴极侧通入相对湿度80%的氢气和空气进行预湿活化，在质子交换膜和电极充分湿润的同时在电极表面形成短时间高电位，用以消除电极表面不稳定的催化剂和氧化电极表面的杂质，实现膜电极的快速激活。
3、本发明采用不加湿的空气代替加湿的空气进行变电流强制活化，以避免电堆在电流较大的情况下出现严重的浓差极化，在小电流情况下, 因为质子交换膜比较薄，氢气侧的加湿气、反应生成的水可以使质子交换膜处于湿润状态；在大电流情况下，阴极侧反应生成的水可以使质子交换膜、催化层快速湿润，但不会堵塞气体、质子的传输通道；同时变流强制活化可以在较短的时间内让电堆在高工作电流下达到最佳性能。
附图说明
图1是实施例1中电堆活化3h前后的性能对比图。
图2是实施例2中电堆活化3h与活化4h的性能对比图。
图3是对比例1中电堆活化3h与活化4h的性能对比图。
图4是对比例2恒电流活化8h与实施例1活化3h的电堆性能对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例1
本实施例研究对象为9片膜电极组装成的燃料电池电堆，膜电极的有效活性面积为300cm2，操作如下步骤：
（1）将新组装的质子交换膜燃料电池电堆安装到燃料电池测试台上，向燃料电池两极通8L/min的干燥氮气吹扫5min，排除燃料电池电堆里的空气和杂质；
（2）开启加热和冷却水循环装置，设置燃料电池堆温度为60℃；
（3）向阳极通入化学计量比为1.2、相对湿度为80%的氢气，向阴极通入化学计量比为2、相对湿度为80%的空气，对燃料电池电堆进行预湿处理30min；
（4）切换空气通气管路，即关闭空气加湿通道，打开空气干气通道；
（5）开电子负载，对电堆进行变电流强制放电活化，活化时氢气的化学计量比为1.2，空气的化学计量比为2；
（6）电堆进行变电流强制放电活化时以50A为一个工况点，每个工况点下保持10min，直到电堆单池电压为0.6V时停止加载电流，保持时间20min；
（7）然后开始降电流，以50A为一个工况点，每个工况点下保持10min，直到电堆单池电压为0.7V时，再以50A为一个工况点升电流到电堆单池电压为0.65V，保持20min；
（8）观察步骤（6）和步骤（7）中电堆单池电压0.65V下电流变化情况，当电流差大于5A时重复步骤（7），直到同一电压下电流差小于或等于5A，电堆活化完成。
图1是本例中燃料电池电堆活化3h前后性能对比图，由图中可以看出，活化后电堆性能得到显著提升。
实施例2
本实施例研究对象为9片膜电极组装成的燃料电池电堆，膜电极的有效活性面积为300cm2，操作如下步骤：
（1）将新组装的质子交换膜燃料电池电堆安装到燃料电池测试台上，向燃料电池两极通8L/min的干燥氮气吹扫5min，排除燃料电池电堆里的空气和杂质；
（2）开启加热和冷却水循环装置，设置燃料电池堆温度为60℃；
（3）向阳极通入化学计量比为1.2、相对湿度为80%的氢气，向阴极通入化学计量比为2、相对湿度为80%的空气，对燃料电池电堆进行预湿处理30min；
（4）切换空气通气管路，即关闭空气加湿通道，打开空气干气通道；
（5）开电子负载，对电堆进行变电流强制放电活化，活化时氢气的化学计量比为1.2，空气的化学计量比为2；
（6）电堆进行变电流强制放电活化时以50A为一个工况点，每个工况点下保持10min，直到电堆单池电压为0.6V时停止加载电流，保持时间20min；
（7）然后开始降电流，以50A为一个工况点，每个工况点下保持10min，直到电堆单池电压为0.7V时，再以50A为一个工况点升电流到电堆单池电压为0.6V，保持20min。
（8）反复操作步骤（7）两次，然后对比两次活化过程中同一电压下电流差，若电流差大于5A，重复步骤（7）直到同一电压下电流差小于或等于5A，电堆活化完成。
图2是本实施例中的燃料电池电堆经过不同时间活化后电堆的性能对比图。从图1中可知，电堆活化3h后性能已趋于稳定，几乎与活化4h的性能重合。
对比例1
与实施例1的区别在于，不进行步骤（4）中关闭空气加湿通道，打开空气干气通道，而是将电堆阴极采用80%相对湿度的空气进行变电流强制活化。
本实施例中电堆活化3h与活化4h后性能对比图如图3所示，由图中可以看出，如果对电堆用80%相对湿度的空气活化3h后，电堆性能还未活化好，继续活化1h后，电堆性能还在上升，说明电堆还需继续活化，同时从图3中还能看出，电堆在大电流时出现明显的浓差极化现象，即在大电流下电堆性能急剧下降，说明电堆阴极侧通干气活化对电堆性能的提升至关重要。
对比例2
本实施例研究对象为9片膜电极组装成的燃料电池电堆，膜电极的有效活性面积为300cm2，操作如下步骤：
（1）将新组装的质子交换膜燃料电池电堆安装到燃料电池测试台上，向燃料电池两极通8L/min的干燥氮气吹扫5min，排除燃料电池电堆里的空气和杂质；
（2）开启加热和冷却水循环装置，设置燃料电池堆温度为60℃；
（3）向阳极通入化学计量比为1.2相对湿度为80%的氢气，向阴极通入化学计量比为2，相对湿度为80%的空气，对燃料电池电堆进行预湿处理30min;
（4）切换空气通气管路，即关闭空气加湿通道，打开空气干气通道；
（5）开电子负载，对电堆进行恒电流强制放电活化，活化时氢气的化学计量比为1.2，空气的化学计量比为2；
（6）然后加载电流至单节电池电压为0.65V，在此电流下一直活化，直到单节电池电压变化率小于或等于10mV。
本实施例中燃料电池电堆活化8h后性能图如图4所示，从图4中可以看出，电堆经过8h大电流活化后性能还没有实施例1的性能好。说明恒电流活化不仅耗时耗氢，活化后的效果也不理想，不能使电堆达到最佳输出性能。
本发明通过控制燃料电池堆初始运行过程中的气体种类、进气湿度、输出电流、变载方式来改善电池中质子交换膜和催化剂的状态，以激活燃料电池堆潜在的性能，从而达到活化的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池堆的活化方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将质子交换膜燃料电池堆平稳放置在测试台上，阴极和阳极通入氮气，吹扫5-10min；
（2）开启加热和冷却水循环装置，控制燃料电池堆的温度不超过65℃；
（3）按一定的化学计量比通入气体，阴极通入加湿空气，阳极通入加湿氢气，持续30-60min，对电堆进行预湿活化处理；
（4）关闭空气加湿通道，打开空气干气通道；
（5）开启电子负载，对电堆进行变电流强制放电活化；
（6）观察放电过程中电堆同一个电压下的电流差，当同一个电压下的电流差小于或等于5A时活化完成，当同一个电压下电流差大于5A时重复步骤（5）。
2.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池堆的活化方法，其特征在于，步骤（3）中通入加湿空气的化学计量比为1-3，通入加湿氢气的化学计量比为1-3。
3.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池堆的活化方法，其特征在于，步骤（3）中通入的空气和/或氢气的相对湿度为80%-100%。
4.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池堆的活化方法，其特征在于，步骤（5）中对电堆进行变电流强制放电活化时氢气的相对湿度为80%-100%，空气的相对湿度为0。
5.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池堆的活化方法，其特征在于，步骤（5）中变电流强制放电时空气的化学计量比为1-3，氢气的化学计量比为1-3。
6.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池堆的活化方法，其特征在于，步骤（5）中变电流强制放电过程中当电流加载到电堆单池电压为0.6-0.65V后开始降电流，以20-50A为一个工况点，每个工况点下保持10-30 min，直到电堆单池电压为0.7-0.75V时，再以20-50A为一个工况点升电流到电堆单池电压为0.6-0.65V。
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