CN112864424A - 一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112864424A
CN112864424A CN202110335267.6A CN202110335267A CN112864424A CN 112864424 A CN112864424 A CN 112864424A CN 202110335267 A CN202110335267 A CN 202110335267A CN 112864424 A CN112864424 A CN 112864424A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
exchange membrane
proton exchange
membrane fuel
activation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110335267.6A
Other languages
English (en)
Inventor
郭伟
苏航
潘牧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN202110335267.6A priority Critical patent/CN112864424A/zh
Publication of CN112864424A publication Critical patent/CN112864424A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法。具体步骤为：1)按照常规运行条件使质子交换膜燃料电池在指定的高电流密度下运行，并使之达到稳定，其中电流密度为500‑1500mA/cm2；2)将质子交换膜燃料电池阴极侧的空气供应切换成氮气供应，维持100‑300s；3)然后将氮气供应切换回空气供应，电压稳定后即完成了质子交换膜燃料电池单电池的快速活化。相较于传统的活化操作，在活化至相同性能的情况下，该方法几分钟即可完成活化过程，有效提高了燃料电池的活化效率，实现质子交换膜燃料电池的快速活化；同时活化过程中无需对单电池进行拆装重启等操作，整个操作流程简单且对电池无损害。

Description

一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法
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快速活化的方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种可以将氢气化学能直接转化为电能的能量转化装置，由于其原料来源广、清洁无污染等优点而具有广阔的发展前景。一般而言，新出厂的电池以及长时间放置未使用的电池，性能并未达到最优，在正式使用前都需要进行一段较长时间的活化来使性能达到一个最佳的状态。导致燃料电池初始性能无法达到最优的原因有很多，其中占主要的是催化剂形成的氧化物以及其他杂质元素造成的催化剂表面活性面积的降低。活化步骤的目的便是通过还原这部分氧化物来提升催化剂活性面积，从而使电池性能达到最佳状态。
传统的活化方式包括恒流活化、恒压活化、变频活化等，使用传统的活化工艺，少则花费一个小时，多则十几个小时，对于制备燃料电池的企业来说，降低了生产效率，占据了生产资源；对于燃料电池的使用者来说，耗费了其使用时间，给燃料电池的实际应用造成了很大的困扰，活化是燃料电池生产使用过程中一道绕不过的难题。因此，我们如何去改进燃料电池的活化工艺，降低活化时间，提升活化效率，是影响燃料电池未来能否大规模生产应用的一项重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法，相较于传统的活化操作，在活化至相同性能的情况下，该方法几分钟即可完成活化过程，有效提高了燃料电池的活化效率，实现质子交换膜燃料电池的快速活化；且在活化过程中，无需对单电池进行拆装重启等操作，整个操作流程简单且对电池无损害。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
提供一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法，包括以下步骤：
步骤一，按照常规运行条件使质子交换膜燃料电池在指定的高电流密度下运行，并使之达到稳定，其中电流密度为500-1500mA/cm2；
步骤二，将质子交换膜燃料电池阴极侧的空气供应切换成氮气供应，维持100-300s；
步骤三，然后将氮气供应切换回空气供应，电压稳定后即完成了质子交换膜燃料电池单电池的快速活化。
按上述技术方案，所述步骤一中，以50-200mA/cm2为间隔加载至设定的电流密度，并保持电压稳定一段时间。
按上述技术方案，所述步骤三中，将氮气切换回空气供应后，电压稳定所需时间为100-400s；电压稳定时电池性能活化至最优状态。
按上述技术方案，所述步骤二和步骤三中，切换气体前后，其他运行条件不变；优选地，其他运行条件包括气体切换前后的气体流量、电流密度、背压、湿度和温度。
按上述技术方案，所述步骤一中常规运行条件为：将组装好的质子交换膜燃料电池单电池进行检漏，看连接部分是否有漏气，若有漏气需予以解决；若无漏气，将组装好的电池和单电池测试台连接起来，对电池施加70-85℃的恒温，在电池充入氢气之前先用氮气进行吹扫，以排除流道内的杂质气体；吹扫一定时间后切换氢空模式供应燃料电池正常发电，过量系数2.0-2.5/2.0-2.5以保证燃料气体供应充足。
本发明产生的有益效果是：
1.本发明提供一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法，质子交换膜燃料电池新电池或者久置不用的电池，此类电池催化剂中存在着较多的铂氧化物，占据了反应的活性位点，本发明首先将质子交换膜燃料电池在高电流密度下稳定运行，高电流密度下燃料电池处于一个强还原的环境，然后将阴极空气供应切换成氮气，停止了氧化剂的供应，阴极空气瞬间消耗完，此时催化剂中的铂氧化物即会被快速还原，随后再重新将氮气切换为空气，电压稳定后即完成电池阴极的活化；此方法可在短时间内对新装电池或长时间未使用的电池进行快速活化，几分钟即可完成活化过程，活化完成后功率和电压均有升高，其中电压可提升约8.5％，活化效果显著。
2.此方法在质子交换膜燃料电池单电池运行的过程中即可进行，无需停机，无需重新拆装电池，操作简单便捷。
3.此方法仅在短时间内切换阴极气体供应，不会因为阴极条件的瞬时变化而造成的阴阳极压差过大而造成膜破裂、阴极倒吸水等现象，同时切换至氮气进行活化的时间很短，不会由于阴极因长时间缺氧而造成的催化剂降解等问题，不会对电池造成不可逆的损害。
附图说明
图1为本发明实施例1中单电池活化操作前后电压及电流密度随时间的变化曲线图。
图2为本发明实施例1中单电池活化操作前后电流密度、电压及功率的极化曲线图。
图3为本发明实施例2中单电池活化操作前后电压及电流密度随时间的变化曲线图。
图4为本发明实施例2中单电池活化操作前后电流密度、电压及功率的极化曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰直观，下面会结合实例及附图对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
将组装好的质子交换膜燃料电池单电池进行检漏，看连接部分是否有漏气，若有漏气需予以解决；若无漏气，将组装好的电池和单电池测试台连接起来，对电池施加75℃的恒温，在电池充入氢气之前先用氮气进行吹扫，以排除流道内的杂质气体。吹扫一定时间后切换氢空模式供应燃料电池正常发电，其中阳极背压150kPa，阳极加湿度50％，阴极背压130kPa，阴极加湿度70％，阳极/阴极过量系数2.0/2.0以保证燃料气体供应充足，并以100mA/cm2为间隔加载电流，直至电流密度达到1500mA/cm2，在此电流密度下保持稳定一段时间。
当电池在此电流密度稳定运行的情况下，将阴极侧空气供应瞬间切换成流量相同的氮气供应，除此之外保持其余条件不变。切气后电压快速下降，维持120s，然后重新将阴极侧氮气切换回空气，此时电压在200s内迅速恢复且能够在一个比操作前更高的电压下维持稳定，即完成电池阴极的快速活化。
图1为本实施例中单电池活化操作前后电压及电流密度随时间的变化曲线图，图中可以看出：在断氧操作前，单电池的电压约为0.663V；断氧操作结束后，电池电压恢复至0.688V，比原来有所提升。
图2为本实施例中单电池活化操作前后电流密度、电压及功率的极化曲线图；图中可以看出：活化后的电池在低电流密度下的电压和功率较活化前都有较明显的提升，在1500mA/cm2电流密度下，快速活化前燃料电池单电池的功率为940mW/cm2，快速活化前燃料电池单电池的电压为0.602V；快速活化后燃料电池单电池的功率为1020mW/cm2，快速活化后燃料电池单电池的电压为0.654V，性能提升约8.5％，这说明本发明所提出的质子交换膜燃料电池快速活化的方法对于短时间内活化燃料电池确有用处。
实施例2
将组装好的质子交换膜燃料电池单电池进行检漏，看连接部分是否有漏气，若有漏气需予以解决；若无漏气，将组装好的电池和单电池测试台连接起来，对电池施加75℃的恒温，在电池充入氢气之前先用氮气进行吹扫，以排除流道内的杂质气体。吹扫一定时间后切换氢空模式供应燃料电池正常发电，其中阳极背压150kPa，阳极加湿度50％，阴极背压150kPa，阴极加湿度70％，阳极/阴极过量系数2.0/2.0以保证燃料气体供应充足，并以100mA/cm2为间隔加载电流，直至电流密度达到1000mA/cm2，在此电流密度下保持稳定一段时间。
当电池在此电流密度稳定运行的情况下，将阴极侧空气供应瞬间切换成氮气供应，除此之外保持其余条件不变。切气后电压快速下降，维持280s，然后重新将阴极侧氮气切换回空气，此时电压在300s内迅速恢复且能够在一个比操作前更高的电压下维持稳定。
图3为本实施例中单电池活化操作前后电压及电流密度随时间的变化曲线图；图中可以看出：在断氧操作前，单电池的电压约为0.671V；断氧操作结束后，电池电压恢复至0.687V，比原来有所提升。
图4为本实施例中单电池活化操作前后电流密度、电压及功率的极化曲线图。图中可以看出：活化后的电池在低电流密度下的电压和功率较活化前都有较明显的提升，在1000mA/cm2电流密度下，快速活化前燃料电池单电池的功率为626mW/cm2，快速活化前燃料电池单电池的电压为0.625V；快速活化后燃料电池单电池的功率为667mW/cm2，快速活化后燃料电池单电池的电压为0.667V，性能提升约6.6％，这说明本发明所提出的质子交换膜燃料电池快速活化的方法对于短时间内活化燃料电池确有用处。
针对质子交换膜燃料电池活化的问题，本发明所提出的燃料电池快速活化的方法相对于其他传统的燃料电池活化方法更为快捷高效。此方法在实际操作的过程中，无需停机或拆卸电池，不会对电池造成不可逆的损害，且能够在较短时间内完成对电池的活化操作。采用本发明的方法可以使燃料电池单电池在短时间内实现性能的快速活化，从而实现质子交换膜燃料电池单电池连续长时间在高性能状态下的工作。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，按照常规运行条件使质子交换膜燃料电池在指定的高电流密度下运行，并使之达到稳定，其中电流密度为500-1500mA/cm2；
步骤二，将质子交换膜燃料电池阴极侧的空气供应切换成氮气供应，维持100-300s；
步骤三，然后将氮气供应切换回空气供应，电压稳定后即完成了质子交换膜燃料电池单电池的快速活化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，以50-200mA/cm2为间隔加载至设定的电流密度，并保持电压稳定一段时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，将氮气切换回空气供应后，电压稳定所需时间为100-400s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三中，切换气体前后，其他运行条件不变。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其他运行条件包括气体切换前后的气体流量、电流密度、背压、湿度和温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中常规运行条件为：将组装好的质子交换膜燃料电池单电池进行检漏，看连接部分是否有漏气，若有漏气需予以解决；若无漏气，将组装好的电池和单电池测试台连接起来，对电池施加70-85℃的恒温，在电池充入氢气之前先用氮气进行吹扫，以排除流道内的杂质气体；吹扫一定时间后切换氢空模式供应燃料电池正常发电，过量系数2.0-2.5/2.0-2.5以保证燃料气体供应充足。
CN202110335267.6A 2021-03-29 2021-03-29 一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法 Pending CN112864424A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110335267.6A CN112864424A (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110335267.6A CN112864424A (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112864424A true CN112864424A (zh) 2021-05-28

Family

ID=75993170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110335267.6A Pending CN112864424A (zh) 2021-03-29 2021-03-29 一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112864424A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115000466A (zh) * 2022-06-29 2022-09-02 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池的久置存储方法
CN115663239A (zh) * 2022-10-13 2023-01-31 上海神力科技有限公司 一种燃料电池电堆阴极和阳极快速活化的方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01128362A (ja) * 1987-11-13 1989-05-22 Hitachi Ltd 燃料電池の運転法
US6472090B1 (en) * 1999-06-25 2002-10-29 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for operating an electrochemical fuel cell with periodic reactant starvation
CN101022169A (zh) * 2006-05-25 2007-08-22 松下电器产业株式会社 燃料电池系统的操作方法
WO2009124737A1 (de) * 2008-04-11 2009-10-15 Basf Se Verfahren zum betrieb einer brennstoffzelle
WO2011125840A1 (ja) * 2010-03-31 2011-10-13 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池の活性化方法
CN105247721A (zh) * 2013-05-27 2016-01-13 米其林集团总公司 用于保持燃料电池系统的性能的方法以及燃料电池气体回路
CN105552405A (zh) * 2016-01-28 2016-05-04 新源动力股份有限公司 一种提升燃料电池活化效率的方法
CN106654324A (zh) * 2016-11-17 2017-05-10 上海攀业氢能源科技有限公司 一种恢复空冷型燃料电池性能的方法
CN108232243A (zh) * 2016-12-10 2018-06-29 中国科学院大连化学物理研究所 一种质子交换膜燃料电池的活化方法
CN111725544A (zh) * 2020-08-04 2020-09-29 无锡威孚高科技集团股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池膜电极快速低成本活化方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01128362A (ja) * 1987-11-13 1989-05-22 Hitachi Ltd 燃料電池の運転法
US6472090B1 (en) * 1999-06-25 2002-10-29 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for operating an electrochemical fuel cell with periodic reactant starvation
CN101022169A (zh) * 2006-05-25 2007-08-22 松下电器产业株式会社 燃料电池系统的操作方法
WO2009124737A1 (de) * 2008-04-11 2009-10-15 Basf Se Verfahren zum betrieb einer brennstoffzelle
WO2011125840A1 (ja) * 2010-03-31 2011-10-13 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池の活性化方法
JPWO2011125840A1 (ja) * 2010-03-31 2013-07-11 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池の活性化方法
CN105247721A (zh) * 2013-05-27 2016-01-13 米其林集团总公司 用于保持燃料电池系统的性能的方法以及燃料电池气体回路
CN105552405A (zh) * 2016-01-28 2016-05-04 新源动力股份有限公司 一种提升燃料电池活化效率的方法
CN106654324A (zh) * 2016-11-17 2017-05-10 上海攀业氢能源科技有限公司 一种恢复空冷型燃料电池性能的方法
CN108232243A (zh) * 2016-12-10 2018-06-29 中国科学院大连化学物理研究所 一种质子交换膜燃料电池的活化方法
CN111725544A (zh) * 2020-08-04 2020-09-29 无锡威孚高科技集团股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池膜电极快速低成本活化方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115000466A (zh) * 2022-06-29 2022-09-02 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池的久置存储方法
CN115000466B (zh) * 2022-06-29 2023-07-14 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池的久置存储方法
CN115663239A (zh) * 2022-10-13 2023-01-31 上海神力科技有限公司 一种燃料电池电堆阴极和阳极快速活化的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113097538B (zh) 一种燃料电池快速活化方法
CN103928695B (zh) 一种恢复质子交换膜燃料电池低效膜电极性能的方法
US9299998B2 (en) Fuel cell management method
CN110783589B (zh) 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
CN111525156A (zh) 一种质子交换膜燃料电池堆的活化方法
JP2013026209A (ja) 燃料電池スタックの活性化装置及び方法
CN111916800B (zh) 一种燃料电池膜电极的活化方法及应用
CN112864424A (zh) 一种质子交换膜燃料电池快速活化的方法
JP6207832B2 (ja) 燃料電池スタックの部分活性化方法
CN112670537B (zh) 质子交换膜燃料电池金属双极板电堆的快速活化方法
US6896982B2 (en) Conditioning method for fuel cells
CN111769308A (zh) 一种质子交换膜燃料电池堆通用活化方法
CN112993334B (zh) 燃料电池电堆无外增湿的启动及测试方法
CN112414633A (zh) 燃料电池车辆运行过程中膜电极串漏的检测方法及系统
CN110911714A (zh) 一种质子交换膜燃料电池电堆活化方法
JP5303419B2 (ja) 燃料電池発電システムおよびその運転方法
CN113363535A (zh) 一种质子交换膜燃料电池快速活化方法
US20110129748A1 (en) Operational method of fuel cell
CN100546089C (zh) 能恢复被硫化氢毒化的质子交换膜燃料电池性能的方法
CN103840184B (zh) 一种直接硼氢化物燃料电池单电池活化方法
CN108199064B (zh) 一种直接甲醇燃料电池抗毒化的方法
US20030224227A1 (en) Conditioning and maintenance methods for fuel cells
CN115224302A (zh) 一种燃料电池启动控制方法、燃料电池及车辆
JP2005276657A (ja) ダイレクトメタノール型燃料電池発電装置及びその作動方法
US20110183220A1 (en) Method of purging for fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210528

RJ01 Rejection of invention patent application after publication