CN111987337A - 一种质子交换膜燃料电池活化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于燃料电池技术领域，提供了一种质子交换膜燃料电池活化方法及装置，所述方法包括：在每次对质子交换膜燃料电池进行活化前，对质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到质子交换膜燃料电池的最大电流密度；将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比；根据该活化脉冲电流对质子交换膜燃料电池进行活化处理。本发明能够提高质子交换膜燃料电池的活化速度，降低活化时间。

Description

一种质子交换膜燃料电池活化方法及装置

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池活化方法及装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种电化学反应装置，可以直接、高效地将反应物的化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池具有能量密度高、转换效率高、质量轻、响应速度快、体积小等优点，成为新一代车用电源、固定电源和便携式电源的研究热点。

然而，质子交换膜燃料电池在出厂时，均需要进行活化处理，以提高质子交换膜燃料电池的性能。对此，传统质子交换膜燃料电池活化工艺是采用阶梯上升的电流对质子交换膜燃料电池进行活化处理，该方法虽然能够实现对质子交换膜燃料电池的活化，但是活化速度慢，活化时间长，导致质子交换膜燃料电池的生产效率不高。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池活化方法及装置，以解决现有技术中的质子交换膜燃料电池活化工艺活化速度慢、活化时间长的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种质子交换膜燃料电池活化方法，包括以下步骤：

S101、对质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到质子交换膜燃料电池的最大电流密度；

S102、将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比；

S103、对质子交换膜燃料电池进行预热、吹扫处理后，向质子交换膜燃料电池的阳极和阴极分别通入氢气和空气，并以预设时间的活化脉冲电流对所述质子交换膜燃料电池进行放电，完成质子交换膜燃料电池的一次活化过程；

S104、对活化后的质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到此时质子交换膜燃料电池的最大电流密度；

判断活化后的质子交换膜燃料电池的最大电流密度是否达到预设阈值，若最大电流密度达到预设阈值，则结束对质子交换膜燃料电池的活化；否则，重复执行步骤S102至S104。

可选的，对质子交换膜燃料电池进行预热的预热温度为75摄氏度。

可选的，对质子交换膜燃料电池进行吹扫处理，包括：

向质子交换膜燃料电池的阴极和阳极通入氮气进行吹扫，吹扫时间2分钟。

可选的，氢气的气体流量为0.565L/min，气压为100kpa，相对湿度为50％。

可选的，空气的气体流量为2.375L/min，气压为80kpa，相对湿度为50％。

可选的，在向质子交换膜燃料电池输入预设时间的活化脉冲电流的同时，还包括：

以预设频率采集质子交换膜燃料电池的电压反馈信号和电流反馈信号；

根据电压反馈信号和电流反馈信号对活化脉冲电流进行实时控制。

本发明实施例的第二方面提供了一种质子交换膜燃料电池活化装置，包括：

极化测试模块，用于对质子交换膜燃料电池或活化后的质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到最大电流密度；

上位机模块，用于将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比；

G20模块，用于对质子交换膜燃料电池进行预热、吹扫处理，以及向质子交换膜燃料电池的阳极和阴极分别通入氢气和空气；

电子负载模块，用于以预设时间的活化脉冲电流对所述质子交换膜燃料电池进行放电。

可选的，对质子交换膜燃料电池进行预热的预热温度为75摄氏度。

可选的，对质子交换膜燃料电池进行吹扫处理，包括：

向质子交换膜燃料电池的阴极和阳极通入氮气进行吹扫，吹扫时间2分钟。

可选的，氢气的气体流量为0.565L/min，气压为100kpa，相对湿度为50％。

可选的，空气的气体流量为2.375L/min，气压为80kpa，相对湿度为50％。

可选的，电子负载模块包括：

电压电流采集单元，用于以预设频率采集质子交换膜燃料电池的电压反馈信号和电流反馈信号；

控制单元，用于根据电压反馈信号和电流反馈信号对活化脉冲电流进行实时控制。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本发明通过在每次对质子交换膜燃料电池进行活化前，对质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到质子交换膜燃料电池的最大电流密度；将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比；进而根据该活化脉冲电流对质子交换膜燃料电池进行活化处理，能够使质子交换膜燃料电池的物质传输速度、催化剂反应速率处于最大状态，有利于燃料电池内部传输通道的快速建立，提高了质子交换膜的活化速度，降低了活化时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的活化脉冲电流的波形示意图；

图3是本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的电子负载的主电路的电路示意图；

图5是本发明实施例提供的电子负载的电压电流采集单元的电路示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例的第一方面提供了一种质子交换膜燃料电池活化方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S101，对质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到质子交换膜燃料电池的最大电流密度。

在本发明实施例中，可以对质子交换膜燃料电池进行极化测试，绘制出质子交换膜燃料电池的极化曲线，根据极化曲线确定质子交换膜燃料电池的最大电流密度。

S102，将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比。

在本发明实施例中，通过将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比，可以得到质子交换膜燃料电池的活化脉冲电流。活化脉冲电流的波形如图2所示，在图2中，横坐标为时间，纵坐标为电流值，I表示活化脉冲电流的电流峰值，D表示电流峰值的占空比，T_n表示第n个脉冲周期。

S103，对质子交换膜燃料电池进行预热、吹扫处理后，向质子交换膜燃料电池的阳极和阴极分别通入氢气和空气，并以预设时间的活化脉冲电流对质子交换膜燃料电池进行放电，完成质子交换膜燃料电池的一次活化过程。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化方法的一种具体实施方式，对质子交换膜燃料电池进行预热的预热温度为75摄氏度。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化方法的一种具体实施方式，对质子交换膜燃料电池进行吹扫处理，包括：

向质子交换膜燃料电池的阴极和阳极通入氮气进行吹扫，吹扫时间2分钟。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化方法的一种具体实施方式，氢气的气体流量为0.565L/min，气压为100kpa，相对湿度为50％。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化方法的一种具体实施方式，空气的气体流量为2.375L/min，气压为80kpa，相对湿度为50％。

在本发明实施例中，对质子交换膜燃料电池的某一次活化过程如下：

(1)将质子交换膜燃料电池组装到测试台上，连接气体和冷却水管道；

(2)对质子交换膜燃料电池的阴极进行保压实验，观察五分钟内的压强下降程度，以检查装置的气密性；

(3)设置开水箱的温度为75摄氏度，通过开水箱对质子交换膜燃料电池进行预热；

(4)向质子交换膜燃料电池的阴极和阳极通入氮气进行吹扫，吹扫时间2分钟；

(5)向质子交换膜燃料电池的阳极通入气体流量为0.565L/min、相对湿度为50％的氢气，逐步增加气体压力至100kpa，向质子交换膜燃料电池的阴极通入气体流量为2.375L/min、相对湿度为50％的空气，逐步增加气体压力至80kpa；

(6)通过电子负载对质子交换膜燃料电池加载预设时间的活化脉冲电流。

S104，对活化后的质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到此时质子交换膜燃料电池的最大电流密度；判断活化后的质子交换膜燃料电池的最大电流密度是否达到预设阈值，若最大电流密度达到预设阈值，则结束对质子交换膜燃料电池的活化；否则，重复执行步骤S102至S104。

在本发明实施例中，随着对质子交换膜燃料电池进行活化处理，质子交换膜燃料电池的最大电流密度不断提升。因此，在活化过程结束后，重新对质子交换膜燃料电池进行极化测试，判断活化后的质子交换膜燃料电池的最大电流密度是否达到预设阈值，若达到预设阈值，则表明质子交换膜燃料电池的最大电流密度达标准，可以结束对质子交换膜燃料电池的活化；否则，重复执行步骤S102至S104，直至质子交换膜燃料电池的最大电流密度达到预设阈值。

通过在每一个活化过程结束后，将质子交换膜燃料电池的当前最大电流密度作为活化脉冲电流的电流峰值，重新确定活化脉冲电流对质子交换膜燃料电池进行活化，能够使质子交换膜燃料电池的化学反应处于最剧烈状态，剧烈的反应能加速物质传输通道的建立，打开物质传输的内部壁垒，缩短活化时间。

需要指出的是，不同质子交换膜燃料电池的活化脉冲电流、活化时间和活化次数有所不同，可以根据实际情况具体设定。

例如，对于25cm²的商业质子交换膜燃料电池，活化脉冲电流的电流峰值I＝45A，脉冲周期T＝20s，电流峰值的占空比D＝0.5，一个活化过程的活化时间为180个脉冲周期，共需进行4个活化过程。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化方法的一种具体实施方式，在向质子交换膜燃料电池输入预设时间的活化脉冲电流的同时，还包括：

以预设频率采集质子交换膜燃料电池的电压反馈信号和电流反馈信号；

根据电压反馈信号和电流反馈信号对活化脉冲电流进行实时控制。

在本发明实施例中，考虑到在向质子交换膜燃料电池输入活化脉冲电流时，电流不稳定的情况，实际电流可能与输入电流不同，本发明以预设频率采集质子交换膜燃料电池的电压反馈信号和电流反馈信号，根据电压反馈信号和电流反馈信号对对活化脉冲电流进行闭环控制，保证活化脉冲电流的稳定性。

具体的，可以根据电压反馈信号和电流反馈信号调节电子负载的开关管的栅源电压Vgs来控制电子负载的输出电流。

本发明实施例的第二方面提供了一种质子交换膜燃料电池活化装置，如图3所示，该活化装置包括：

极化测试模块31，用于对质子交换膜燃料电池或活化后的质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到最大电流密度。

上位机模块32，用于将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比。

G20模块33，用于对质子交换膜燃料电池进行预热、吹扫处理，以及向质子交换膜燃料电池的阳极和阴极分别通入氢气和空气；

电子负载模块34，用于以预设时间的活化脉冲电流对质子交换膜燃料电池进行放电。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化装置的一种具体实施方式，对质子交换膜燃料电池进行预热的预热温度为75摄氏度。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化装置的一种具体实施方式，对质子交换膜燃料电池进行吹扫处理，包括：

向质子交换膜燃料电池的阴极和阳极通入氮气进行吹扫，吹扫时间2分钟。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化装置的一种具体实施方式，氢气的气体流量为0.565L/min，气压为100kpa，相对湿度为50％。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化装置的一种具体实施方式，空气的气体流量为2.375L/min，气压为80kpa，相对湿度为50％。

可选的，作为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池活化装置的一种具体实施方式，电子负载模块34包括：

电压电流采集单元341，用于以预设频率采集质子交换膜燃料电池的电压反馈信号和电流反馈信号；

控制单元342，用于根据电压反馈信号和电流反馈信号对活化脉冲电流进行实时控制。

在本发明实施例中，电子负载模块34具体可以包括电压电流采集单元341、控制单元342、主电路343、人机交互界面344和温度检测单元345。

主电路343由多个mosfet开关管并联组成，是质子交换膜燃料电池的主要放电负载。利用mosfet开关管的转移特性和输出特性，控制开关管的栅源电压Vgs，进而控制开关管的输出电流，可以实现质子交换膜燃料电池的恒流、恒功率、三角波、正弦波、矩形脉冲的电流波形输出，实现对放电波形参数的精确控制。主电路343的原理图如图4所示，图中，PEMFC为质子交换膜燃料电池，Q_n为mosfet开关管。

电压电流采集单元341采集燃料电池两端的瞬时电压和母线电流，作为电压反馈信号和电流反馈信号。电压电流采集单元341的电路原理如图5所示。

控制单元342可以根据电压反馈信号和电流反馈信号闭环计算得出Vgs的输出值，进而通过Vgs输出值控制主电路343的控制开关管，实现对质子交换膜燃料电池输出电流的实时控制。

控制单元342可以是控制芯片，能够实现与人机交互界面344的数据通信、触发信号的识别、存储工艺数据等功能。

人机交互界面344可以实现活化工艺各项参数的设置、显示活化脉冲电流的波形以及活化工艺的开始与结束等功能。

温度检测单元345可以检测主电路MOSFET的温度并将其发送至控制单元342。

上位机模块32还具备对质子交换膜燃料电池活化装置进行控制、实时显示质子交换膜燃料电池活化装置采集回来的参数、实时显示工况曲线等功能。

由以上内容可知，本发明通过在每次对质子交换膜燃料电池进行活化前，对质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到质子交换膜燃料电池的最大电流密度；将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比；进而根据该活化脉冲电流对质子交换膜燃料电池进行活化处理，能够使质子交换膜燃料电池的物质传输速度、催化剂反应速率处于最大状态，有利于燃料电池内部传输通道的快速建立，提高了质子交换膜的活化速度，降低了活化时间。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池活化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、对质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到所述质子交换膜燃料电池的最大电流密度；

S102、将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比；

S103、对质子交换膜燃料电池进行预热、吹扫处理后，向所述质子交换膜燃料电池的阳极和阴极分别通入氢气和空气，并以预设时间的活化脉冲电流对所述质子交换膜燃料电池进行放电，完成质子交换膜燃料电池的一次活化过程；

S104、对活化后的质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到此时质子交换膜燃料电池的最大电流密度；

判断活化后的质子交换膜燃料电池的最大电流密度是否达到预设阈值，若所述最大电流密度达到预设阈值，则结束对质子交换膜燃料电池的活化；否则，重复执行步骤S102至S104。

2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池活化方法，其特征在于，所述对质子交换膜燃料电池进行预热的预热温度为75摄氏度。

3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池活化方法，其特征在于，所述对质子交换膜燃料电池进行吹扫处理，包括：

向质子交换膜燃料电池的阴极和阳极通入氮气进行吹扫，吹扫时间2分钟。

4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池活化方法，其特征在于，所述氢气的气体流量为0.565L/min，气压为100kpa，相对湿度为50％。

5.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池活化方法，其特征在于，所述空气的气体流量为2.375L/min，气压为80kpa，相对湿度为50％。

6.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池活化方法，其特征在于，在向所述质子交换膜燃料电池输入预设时间的活化脉冲电流的同时，还包括：

以预设频率采集质子交换膜燃料电池的电压反馈信号和电流反馈信号；

根据所述电压反馈信号和所述电流反馈信号对所述活化脉冲电流进行实时控制。

7.一种质子交换膜燃料电池活化装置，其特征在于，包括：

极化测试模块，用于对质子交换膜燃料电池或活化后的质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到最大电流密度；

上位机模块，用于将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比；

G20模块，用于对质子交换膜燃料电池进行预热、吹扫处理，以及向所述质子交换膜燃料电池的阳极和阴极分别通入氢气和空气；

电子负载模块，用于以预设时间的活化脉冲电流对所述质子交换膜燃料电池进行放电。

8.如权利要求7所述的质子交换膜燃料电池活化装置，其特征在于，所述氢气的气体流量为0.565L/min，气压为100kpa，相对湿度为50％。

9.如权利要求7所述的质子交换膜燃料电池活化装置，其特征在于，所述空气的气体流量为2.375L/min，气压为80kpa，相对湿度为50％。

10.如权利要求7所述的质子交换膜燃料电池活化装置，其特征在于，所述电子负载模块包括：

电压电流采集单元，用于以预设频率采集质子交换膜燃料电池的电压反馈信号和电流反馈信号；

控制单元，用于根据所述电压反馈信号和所述电流反馈信号对所述活化脉冲电流进行实时控制。

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