CN112952149B - 一种燃料电池电堆活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆活化方法，在使用膜电极组装电堆之前，使膜电极充分润湿。与现有技术相比，本发明在使用膜电极组装电堆之前，对膜电极进行加湿处理，从而使膜电极充分润湿，可以简化活化过程，缩短装堆后的活化时间，减少膜电极在活化和后续运行过程中的串漏比例。

Description

一种燃料电池电堆活化方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆活化方法。
背景技术
燃料电池性能的高低在很大程度上取决于膜电极(Membrane ElectrodeAssembly,MEA)或CCM(Catalyst-coated Membrane)性能的发挥，MEA的组成部分(如电催化剂、质子交换膜、气体扩散层等)或CCM组成部分(如电催化剂、质子交换膜)的性能以及MEA或CCM的制备工艺对其性能固然有较大的影响，然而对于给定的MEA或CCM，为了使其在较短的时间内迅速达到和发挥其固有的最佳性能，需要对燃料电池进行有效的活化。因此，新生产的燃料电池通常需要活化来达到其最佳的性能。
多种燃料电池的活化方法已经被提出和研究，例如电流控制、电压控制、氢泵的方法、CO氧化剥离的方法以及膜电极的电化学方法等。但是这些方法主要是在单片堆或小功率(如功率小于1kw)的电堆得到验证，但目前对于工业上应用的较大功率电堆的活化方法和过程的报道非常少。
发明专利CN102097631B提出了一套适用于质子交换膜燃料电池的“五通道理论”，即水、热、气体、质子、电子五种进出通道，并基于该理论，提出了膜电极的活化方法，通过向气体流道持续通入去离子水，可以使膜电极充分润湿；通过调整电堆夹具，可以在降低欧姆极化和浓差极化之间得到一个最佳范围；在通入反应气体后，通过调整负载使电池按照预置步长梯度输出电流，可以使水、热、电子、质子、气体五种传输通道内部进行调整，让更多催化剂成为有效反应点，使活化效果更佳。
值得注意的是，一些采用苛刻条件进行电堆活化的方法，如在MEA装堆之前在沸水或蒸汽中进行高温处理，或CO氧化剥离的方法等，不符合工业化生产安全的要求。此外，已经报道的活化方法还存在工艺复杂、活化时间长、氢气消耗量大等缺点。因此，在工业生产中，亟需开发活化时间短、工艺简单、条件温和、氢气消耗量低的电堆活化方法。
发明专利CN102097631B中提出的方法，在装堆后对MEA使用去离子水进行润湿，一方面较难控制去离子水在电堆里的分配，无法保证每片MEA得到充分的润湿，润湿时间长、效果较差；另外，去离子直接润湿可能会在电堆内残留大量液态水，在后续的活化过程中，如恒电流活化中增加拉载的难度，甚至导致电堆发生水淹，引发反极。且由于MEA润湿引起厚度变化，后续需要进一步调整电堆夹具，活化过程复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池电堆活化方法，活化过程简单，活化时间缩短。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池电堆活化方法，在使用膜电极组装电堆之前，使膜电极充分润湿。传统电堆活化方法中，一般在膜电极组装电堆后对膜电极进行活化处理，活化时间较长、活化过程复杂，操作不当时，在活化过程中甚至会引发膜电极出现漏点，发生氢空串漏的现象。本发明在使用膜电极组装电堆之前，对膜电极进行加湿处理，从而使膜电极充分润湿，可以简化活化过程，缩短装堆后的活化时间，减少膜电极在活化和后续运行过程中的串漏比例。
进一步地，所述的膜电极润湿方法包括用去离子水浸泡或者加湿气体进行加湿处理。
更进一步地，所述的去离子水温度为20～80℃，浸泡时间为1～30min。
更为优选的，去离子水温度为40～60℃，浸泡时间为2～10min。
所述的膜电极用去离子水浸泡时使用平口夹夹持膜电极的边框，将膜电极竖直插入去离子水中，然后将膜电极放平。
所述的加湿气体相对湿度为20～100％，气体温度为20～80℃，加湿时间为1～30min。
进一步地，所述的加湿气体包括氮气、氦气、氢气或空气，相对湿度为50～100％，温度为40～75℃。
所述的加湿气体流速为10～10000Nlpm，加湿处理时，使用平口夹夹持膜电极，加湿气体流向与膜电极垂直。
所述的膜电极充分润湿后，去除膜电极表面吸附的多余液态水，然后装堆，进行进一步活化。
进一步地，去除所述的膜电极表面吸附的多余液态水时，在膜电极表面平铺工业吸水纸、无尘纸或无纺布进行吸水。
更进一步地，所述的进一步活化操作为：使用低拉载速度的方法对电堆进行拉载活化，拉载速度为0.1～10A/s，且每拉载10～100A后，在该电流平衡0.5～10min，最终拉载至140A结束。
由于膜电极的PEM层(质子交换膜)、GDL层(气体扩散层)和催化层受力后会有被损坏的可能性，因此，在使用夹具时，需尽量使夹具夹持在边框上。夹具可选择平口夹，且本发明所使用的平口夹夹持部分的面积需较大，优选的，夹持部分为橡胶材料，不存在尖锐部分，防止损坏膜电极。由于GDL层(气体扩散层)有一定的疏水性，所以将膜电极放入去离子水中进行加湿处理时，先将没有平口夹夹持的一侧缓慢插入到水槽中，然后再在水槽中慢慢将膜电极放平，使得膜电极的PEM层(质子交换膜)、GDL层(气体扩散层)和催化层完全浸入到去离子水中，至少在水槽中保持1min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明在使用膜电极组装电堆之前，对膜电极润湿活化，活化过程简单，活化时间缩短；
2.本发明在装堆前进行膜电极的润湿，比装堆后润湿膜电极的效果更好；
3.本发明对膜电极的润湿过程无苛刻的操作条件，适合工业化中大功率电堆的活化；
4.本发明装堆前对膜电极进行批量润湿，适合工业化大规模生产流水线操作；
5.本发明膜电极批量润湿后，去除表面多余液态水，方便装堆过程控制，防止电堆发生水淹；
6.本发明在组装电堆之前，对膜电极进行加湿处理，从而使膜电极充分润湿，可以简化活化过程，缩短装堆后的活化时间，减少膜电极在活化和后续运行过程中的氢空串漏比例。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种燃料电池电堆活化方法，在使用膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)组装电堆之前，将MEA放置在20～100％的加湿气体环境中(气温20～80℃)进行加湿处理，加湿时间为1～30min。加湿气体可以是氮气、氦气、氢气、空气等气体，考虑到成本等原因，优选为氮气。加湿气体的湿度优选为50～100％，气温优选为40～75℃。
用上述方法加湿活化后，直接使用上述MEA进行装堆以及拉载测试时，发现电堆能按照正常的拉载速度进行拉载(20A/s)，电堆在1300mA·cm-2下的平均电压达到0.61V(操作条件为堆温65℃，阳极、阴极的气体计量比为1.4/2.0，阳极、阴极的气体增湿度为40％/0，阳极、阴极的气压(表压)分别是60/50kPa)。活化后没有发现电堆的氢空串漏程度提高。
实施例2
一种燃料电池电堆活化方法，在使用膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)组装电堆之前，在流水线水槽中放入20～80℃的去离子水，优选的为40～75℃，将多片MEA依次放入到上述流水线水槽中，操作过程中，可以使用平口夹将MEA完全压入到去离子水中，使MEA中的质子交换膜充分润湿，浸润时间为1～30min，根据水槽温度的高低，优选的浸润时间有所不同，40～60℃时，优选的浸润时间为2～10min。在装堆之前需要去除膜电极表面吸附的多余液态水，主要是气体扩散层上的液态水，去除多余水可以使用工业吸水纸、无尘纸、无纺布等来操作，保证上述吸水材料不会掉屑或有其它树脂污染。吸水过程中，将MEA平铺在清洁的台面上，使用上述吸水材料平铺在MEA上进行吸水，更换3张吸水材料用纸后，将MEA轻轻的反面，继续使用上述吸水材料平铺在MEA上进行吸水，更换3张吸水材料用纸后，吸水操作完成。
用上述方法加湿活化后，直接使用上述MEA进行装堆以及拉载测试时，发现电堆能按照正常的拉载速度进行拉载(20A/s)，电堆在1300mA·cm-2下的平均电压达到0.63V(操作条件为堆温65℃，阳极、阴极的气体计量比为1.4/2.0，阳极、阴极的气体增湿度为40％/0，阳极、阴极的气压(表压)分别是60/50kPa)。
实施例3
一种燃料电池电堆活化方法，在使用膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)组装电堆之前，在流水线水槽中放入50℃的去离子水，将多片MEA依次放入到上述流水线水槽中，操作过程中，可以使用特定夹具将MEA完全压入到去离子水中，使MEA中的质子交换膜充分润湿，浸润时间为5min。
用工业吸水纸来去除膜电极表面吸附的多余液态水，主要是气体扩散层上的液态水，注意在操作过程中避免引入杂质和污染。
然后对该电堆直接使用低速拉载的方法进行活化，拉载使用低拉载速度的方法对电堆进行拉载活化，拉载速度优选为0.1～10A/s，且每拉载10～100A后，在该电流平衡0.5～10min，以进一步降低拉载速度，最终拉载至140A结束。本实施例拉载速度为0.5A/s，每拉载20A，在该电流平衡2min。
经过上述活化后，电堆在1300mA·cm-2下的平均电压从0.65V(操作条件为堆温65℃，阳极、阴极的气体计量比为1.4/2.0，阳极、阴极的气体增湿度为40％/0，阳极、阴极的气压(表压)分别是60/50kPa)。活化前后，电堆的氢空串漏量没有变化。
对比例1
一种燃料电池电堆活化方法，在使用膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)组装电堆之前，在流水线水槽中放入20～80℃的去离子水，优选为40～75℃，将多片MEA依次放入到上述流水线水槽中，操作过程中，可以使用平口夹将MEA完全压入到去离子水中，使MEA中的质子交换膜充分润湿，浸润时间为1～30min，根据水槽温度的高低，优选的浸润时间有所不同，40～60℃时，优选的浸润时间为2～10min。
使用上述方法加湿活化后，直接使用上述MEA进行装堆以及拉载测试时，发现电堆不能按照正常的拉载速度进行拉载，这是因为MEA上残留的大量液态水，导致电堆发生水淹，性能较低，甚至低于0.3V(一般把0.3V作为保护电压，引发停机保护)，引发停机保护。
对比例2
一种燃料电池电堆活化方法，在使用膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)组装电堆之前，在流水线水槽中放入50℃的去离子水，将多片MEA依次放入到上述流水线水槽中，操作过程中，可以使用特定夹具将MEA完全压入到去离子水中，使MEA中的质子交换膜充分润湿，浸润时间为5min。
用工业吸水纸来去除膜电极表面吸附的多余液态水，主要是气体扩散层上的液态水，注意在操作过程中避免引入杂质和污染。
然后使用较高的拉载速度进行活化。拉载速度为0.5A/s，每拉载20A，拉载过程中不在特定电流下停留，一直拉载至目标电流下停止，最终达到140A后在140A处停留15min。
经过上述活化后，电堆在1300mA·cm-2下的平均电压从0.58V提高到0.62V(操作条件为堆温65℃，阳极、阴极的气体计量比为1.4/2.0，阳极、阴极的气体增湿度为40％/0，阳极、阴极的气压(表压)分别是60/50kPa)。性能有所提高，对于200片单电池的电堆，活化前后的氢、空串漏量提高30％，拆堆后发现1片MEA的氢空串漏量明显增大，说明采取直接快速拉载电流的方法活化电堆，存在增大氢空串漏的风险。
对比例3
一种活化燃料电池电堆的方法，在使用膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)组装电堆后，如200片膜电极组成的电堆，其中膜电极的活性面积为300cm2，下面提到的电流可以相应的除以膜电极的活性面积计算得到电流密度。
对该电堆直接使用拉载活化的方法进行活化，且使用较高的拉载速度进行活化。拉载速度为0.5A/s，每拉载20A，拉载过程中不在特定电流下停留，一直拉载至目标电流下停止，最终达到140A后在140A处停留15min。
经过上述活化后，电堆在1300mA·cm-2下的平均电压从0.58V提高到0.62V(操作条件为堆温65℃，阳极、阴极的气体计量比为1.4/2.0，阳极、阴极的气体增湿度为40％/0，阳极、阴极的气压(表压)分别是60/50kPa)。性能有所提高，对于200片单电池的电堆，活化前后的氢、空串漏量提高30％，拆堆后发现4片MEA的氢空串漏量明显增大，说明采取直接快速拉载电流的方法活化电堆，存在增大氢空串漏的风险。
对实施例1～3和对比例1～3电堆进行性能测试结果如下表所示：
Figure BDA0002922802360000061
Figure BDA0002922802360000071
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种燃料电池电堆活化方法，其特征在于，在使用膜电极组装电堆之前，使膜电极充分润湿；
所述的膜电极润湿方法为用去离子水浸泡；
膜电极用去离子水浸泡时使用平口夹夹持膜电极的边框，将膜电极竖直插入去离子水中，然后将膜电极放平，平口夹的夹持部分为橡胶材料，将膜电极放入去离子水中进行加湿处理时，先将没有平口夹夹持的一侧缓慢插入到水槽中，然后再在水槽中慢慢将膜电极放平，使得膜电极的PEM层、GDL层和催化层完全浸入到去离子水中，至少在水槽中保持1min；
所述的膜电极充分润湿后，去除膜电极表面吸附的多余液态水，然后装堆，进行进一步活化，去除所述的膜电极表面吸附的多余液态水时，在膜电极表面平铺工业吸水纸、无尘纸或无纺布进行吸水；
所述的进一步活化操作为：使用低拉载速度的方法对电堆进行拉载活化，拉载速度为0.1~10A/s，且每拉载10~100 A后，在该电流平衡0.5~10 min，最终拉载至140 A结束。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆活化方法，其特征在于，所述的去离子水温度为20~80℃，浸泡时间为1~30min。
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