CN114024000A - 一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，步骤包括：检测电堆的气密性；升温电堆，阳极阴极通入氮气吹扫；阳极通入氢气，阴极通入氮气，阳极气压大于阴极气压；拉载单片电池电压；阴极的氮气切换成空气；对单片电池进行电压加载，并按固定电压值进行递减式加载电压；重复对单片电池进行电压加载，获取多条极化曲线，判断新的极化曲线与上一条极化曲线之间的电压偏差是否小于10mV，完成电堆的活化。本发明对催化剂表面氧化物进行还原，提高催化剂的活性，提升催化剂的利用率。

Description

一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法。

背景技术

在新能源汽车发展体系中，燃料电池汽车是其重要的组成部分。质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能经反应后直接转化成电能、热能和水的电化学装置，它不受卡诺循环的限制，转化效率高，只要有足够的燃料气体（主要为氢气）和氧气，就可以长时间连续运行。

其中，燃料电池电堆有一个非常重要的组件，就是膜电极。膜电极是燃料电池发电的关键核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元---燃料电池单电池，膜电极由极板、气体扩散层、催化层、质子交换膜组成。

在燃料电池未使用前，质子膜内部分子排列没有规律，导氢能力较差，有必要对其进行活化，打通质子膜的离子通道，提高导氢能力。若膜在干燥缺水的情况下投入使用，可能会造成膜的干裂、击穿，必须对燃料电池进行活化，提高膜的含水量。质子交换膜燃料电池电堆在装配完成后并不会直接使用，需要先对其进行活化，提高膜电极中催化剂的活性和利用率，使燃料电池电堆发挥出最佳工作状态和性能。

目前，燃料电池电堆活化的方式一般都是通过燃料电池电堆长时间处于大电流下来实现对膜电极的活化。但这种方式存在不足：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。

发明内容

本发明为解决上述技术问题之一，提供一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，通过对催化剂表面的氧化物进行还原，从而提高催化剂的活性，提升催化剂的利用率，并大大缩短了燃料电池电堆活化的时间。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，包括以下步骤：

步骤S1、对电堆进行预活化，具体为：对电堆进行升温处理，在升温处理过程中，通入第一相对湿度值的氮气，使用氮气对电堆的阳极和阴极进行吹扫；其中，吹扫阳极所使用氮气的流量为第一流量，吹扫阳极所使用氮气的流量为第二流量；吹扫阳极和阴极所使用氮气的进气压力均为第一气压；

电堆升温到第一温度值后，使电堆在第一温度值下稳定一段时间；电堆在第一温度值下稳定一段时间后，预活化过程结束，停止氮气的吹扫，继续使电堆维持在第一温度值；

步骤S2、向电堆的阳极通入第二相对湿度值的氢气，和向电堆的阴极通入第三相对湿度值的氮气；其中，通入的氢气的流量为第三流量，氮气的流量为第四流量；通入的氢气的气压为第二气压，氮气的气压为第三气压，且第二气压比第三气压大于规定气压范围；

步骤S3、对电堆进行加载，具体为：对电堆的单片电池的单片电压从0V加载至第一电压值，重复电压加载N次；

步骤S4、停止向电堆的阴极通入氮气，切换成向电堆的阴极通入空气，其中，空气的相对湿度值等于氢气的第三相对湿度值，空气的气压等于氢气的第二气压，空气的流量为第五流量，氢气的流量保持为第三流量；

步骤S5、对单片电池的单片电压加载至第二电压值，使单片电压在第二电压值下维持一定时间；在第二电压值基础上按设定的固定电压值进行递减，使单片电压在每一次递减的电压值下维持一定时间；当单片电压递减到第三电压值时并在第三电压值维持一定时间后，停止对单片电池的单片电压进行加载。

进一步的，所述步骤S1前还包括步骤S0、检测电堆的气密性是否符合气密性指标，若符合气密性指标则进入步骤S1，若不符合气密性指标则重新装配电堆,直至电堆的气密性符合气密性指标为止；

进一步的，所示步骤S5后还包括步骤S6、停止对单片电池的单片电压进行加载后，用线性扫描法测试单片电池的极化曲线得到第一极化曲线；其中，线性扫描法的扫描范围OCV-0.5V，扫描速度5mV/s，OCV为开路电压；

步骤S7、重复步骤S5-S6，得到第二极化曲线，判断在0.55V～0.75V电压范围内且在同一电流下，第二极化曲线与第一极化曲线之间的电压偏差是否小于10mV，若是，则判断电堆的已完成活化；若第二极化曲线与第一极化曲线之间的电压偏差大于或等于10mV，则重复步骤S7，直至新的极化曲线与上一条极化曲线之间的电压偏差小于10mV，完成电堆的活化。

进一步的，所述对电堆进行升温处理，具体方式为：预先对冷却液加热到第一温度值且维持在第一温度值；将第一温度值下的冷却液通入电堆进行升温处理；

所述一段时间为1min～5min。

进一步的，所述电堆包括若干片单片电池，所述第一流量、第三流量的计算公式为：第一流量=单片电池的体积流量*电流*单片电池数量*过量系数；

所述第二流量、第四流量和第五流量的计算公式为：单片电池的体积流量*电流*单片电池数量*过量系数；

其中，过量系数的取值范围为1～3；单片电池的体积流量为预先设置的固定值，电流为电堆外接送气装置的输入值。

进一步的，所述第一流量=所述第三流量，所述第二流量=所述第四流量=所述第五流量。

进一步的，所述第一气压为常压，所述第二气压为100kPa～150kPa，所述第三气压为100kPa～150kPa，所述规定气压范围为10kPa～30kPa。

进一步的，所述第一相对湿度值=第二相对湿度值=第三相对湿度值=相对湿度值100%。

进一步的，所述第一电压值为0.6 V，所述第二电压值为0.75V，所述固定电压值为50mV，所述第三电压值为0.55V；所述一定时间为10min～30min。

进一步的，所述步骤S3中的N=5。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过对催化剂表面的氧化物进行还原，提高了催化剂的活性，提升了催化剂的利用率；本发明充分润湿质子交换膜，加强了质子交换膜的水合作用，建立气体、电子和传质通道，提高电堆发电效率；本发明对比传统大电流强制放电的恒电流活化方法，本发明大大缩短了活化时间。

附图说明

图1为本发明一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法步骤流程图。

图2为本发明实施例2的极化曲线对比图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例1

本发明公开一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其中的质子交换膜燃料电池堆（PEMFC）即为本申请所述的电堆；本发明方法是在一定的外界条件下进行的，包括电堆测试台、气路（用于通入氮气、氢气、空气等）、电路（用于连通电子负载、测试台）、水路（用于通入冷却液）等测试用的设备和装置。

一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，包括以下步骤：

S0、检测电堆的气密性是否符合气密性指标，若符合气密性指标则进入步骤S1，若不符合气密性指标则重新装配电堆,直至电堆的气密性符合气密性指标为止；

步骤S1、对电堆进行预活化，具体为：对电堆进行升温处理，在升温处理过程中，通入第一相对湿度值的氮气，使用氮气对电堆的阳极和阴极进行吹扫；其中，吹扫阳极所使用氮气的流量为第一流量，吹扫阳极所使用氮气的流量为第二流量；吹扫阳极和阴极所使用氮气的进气压力均为第一气压；

其中，所述电堆包括若干片单片电池，第一流量的计算方式为：第一流量=单片电池的体积流量*电流*单片电池数量*过量系数；第二流量的计算方式为单片电池的体积流量*电流*单片电池数量*过量系数；

其中，过量系数的取值范围为1～3，而第一流量采用的过量系数可以与第二流量采用的过量系数不同；

单片电池的体积流量是预先设置的固定值，优选的，对于阳极的单片电池的体积流量设置为0.0076，对于阴极的单片电池的体积流量设置为0.0182；

单片电池数量即为组成电堆的单片电池总的数量；电流为外接电路设备输进去的具体电流值，优选地，电流输入值为40A；

优选的，第一相对湿度值设置为相对湿度值100%（RH100%）；第一气压为常压；

电堆升温到第一温度值后，使电堆在第一温度值下稳定一段时间；电堆在第一温度值下稳定一段时间后，预活化过程结束，停止氮气的吹扫，继续使电堆维持在第一温度值；优选的，所述一段时间取值为：1min～5min；

作为优选的，所述对电堆进行升温处理，其具体可以采用的方式为：预先对冷却液加热到第一温度值且维持在第一温度值；将第一温度值下的冷却液通入电堆进行升温处理；作为优选的，第一温度值为65℃～80℃；

步骤S2、向电堆的阳极通入第二相对湿度值的氢气，和向电堆的阴极通入第三相对湿度值的氮气；其中，通入的氢气的流量为第三流量，氮气的流量为第四流量；通入的氢气的气压为第二气压，氮气的气压为第三气压，且第二气压比第三气压大于规定气压范围；

优选的，所述第二相对湿度值=第三相对湿度值=第一相对湿度值=相对湿度值100%（RH100%）；所述第二气压为100kPa～150kPa，所述第三气压为100kPa～150kPa，所述规定气压范围为10kPa～30kPa；第三流量=第一流量，第四流量=第二流量；

例如，将第二气压设置为110KPa，规定气压范围设为10kPa，由于第二气压需要大于第三气压10kPa，所以第三气压设置为100kPa；

另外，由于第二气压大于第三气压，从而使得阳极的氢气渗透进去阴极发生反应，反应式为：

反应式中，存在氧分子是因为质子交换膜内部催化层在喷涂制备过程中可能引入的，需要对其进行活化消除；Pt是质子交换膜内部催化层的催化剂；

步骤S3、对电堆进行加载，具体为：对电堆的单片电池的单片电压从0V加载至第一电压值，扫描速率5-10mV/s，重复电压加载N次；优选的，第一电压值为0.6V， N为5次；

步骤S4、停止向电堆的阴极通入氮气，切换成向电堆的阴极通入空气，其中，空气的相对湿度值等于氢气的第三相对湿度值，空气的气压等于氢气的第二气压，空气的流量为第五流量，氢气的流量保持为第三流量；

优选的，第二流量=第四流量=第五流量，第一流量=第三流量，且第一流量的计算公式等于第三流量的计算公式，第二流量的计算公式等于第四流量的计算公式等于第五流量的计算公式；第一相对湿度值=第二相对湿度值=第三相对湿度值=相对湿度值100%。

步骤S5、对单片电池的单片电压加载至第二电压值，使单片电压在第二电压值下维持一定时间；在第二电压值基础上按设定的固定电压值进行递减，使单片电压在每一次递减的电压值下维持一定时间；当单片电压递减到第三电压值时并在第三电压值维持一定时间后，停止对单片电池的单片电压进行加载；

优选的，一定时间取值为10min～30min；所述第二电压值为0.75 V，所述固定电压值为50mV，所述第三电压值为0.55V；

步骤S6、停止对单片电池的单片电压进行加载后，用线性扫描法测试单片电池的极化曲线得到第一极化曲线；其中，线性扫描法的扫描范围OCV～0.5V，扫描速度5mV/s，OCV为开路电压；

步骤S7、重复步骤S5-S6，得到第二极化曲线，判断在0.55V～0.75V电压范围内且在同一电流下，第二极化曲线与第一极化曲线之间的电压偏差是否小于10mV，若是，则判断电堆的已完成活化；若第二极化曲线与第一极化曲线之间的电压偏差大于或等于10mV，则重复步骤S7，直至新的极化曲线与上一条极化曲线之间的电压偏差小于10mV，完成电堆的活化，例如，若第二极化曲线与第一极化曲线进行对比判断，第三极化曲线与第二极化曲线进行对比判断，第四极化曲线与第三极化曲线进行对比，如此类推，由于重复了步骤S5-S6，每一次获取的新的极化曲线都与上一次获取的旧的极化曲线进行对比判断，判断的条件都是在0.55V～0.75V电压范围内且在同一电流下。

实施例2

本实施在实施例1的基础上进行具体数值的实施：对由100片膜电极组成的电堆样品进行活化，膜电极活性面积为200cm²：

1、预活化过程：

11、电堆升温至75℃;

12、升温过程中，通入RH 100%氮气持续吹扫;

13、氮气流量为正常加载至0.2A/cm2电流密度时对应阳极/阴极反应气体,即40A时，阳极侧流量为0.0076*40*100*1.5 L/min=45.6L/min，阴极侧流量为0.0182*40*100*2L/min=145.6 L/min；其中，阳极的过量系数采用1.5，阴极的过量系数采用2，下同；

14、电堆温度达到75℃后，稳定5min。

2、活化过程---阴极低电位：

21、切换氢气和氮气，阳极/阴极通入RH 100% 氢气/氮气；

22、流量为正常加载至0.2A/cm2电流密度时对应阳极/阴极反应气体,计量比1.5/2；

23、即阳极侧流量为0.0076*40*100*1.5 L/min=45.6L/min，阴极侧流量为0.0182*40*100*2 L/min=145.6 L/min;

24、阳极进气压力为120kPa，阴极进气压力为110kPa压力，达到设定值后，稳定5min；

25、进行电压加载，单片电压从0V到0.6V，扫描速率5mV/s，重复5次。

3、活化过程二恒电流放电：

31、阴极切换为RH100%的空气，流量为正常加载至.2A/cm2电流密度时对应阳极/阴极反应气体,计量比1.5/2，即40A时，阳极侧流量为0.0076*40*100*1.5 L/min=45.6L/min，阴极侧流量为0.0182*40*100*2 L/min=145.6 L/min;超过40A后按公式计算实际供气；

32、加载单片电压至0.75V~0.55V，每50mV为一个工况点停留30min；

33、用线性扫描法测试电池极化曲线1，扫描范围为平均电压OCV-0.5V，扫描速度5mV/s；

34、重复步骤32和34，测得极化曲线2，根据极化曲线1和2的偏差程度判断活化是否完成，判断在0.55V～0.75V电压范围内且在同一电流下，极化曲线之间电压偏差＜10mV则为活化完成，否则重复步骤34得到极化曲线3、4、5等等。

如图2所示，为本实施实施获取的极化曲线对比图。

本实施例通过对电堆进行活化，对催化剂表面氧化物进行还原，提高催化剂的活性，提升催化剂的利用率；充分润湿，加强质子交换膜的水合作用，建立气体、电子和传质通道，提高发电效率；和传统大电流强制放电的恒电流活化方法对比大大缩短时间。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、对电堆进行预活化，具体为：对电堆进行升温处理，在升温处理过程中，通入第一相对湿度值的氮气，使用氮气对电堆的阳极和阴极进行吹扫；其中，吹扫阳极所使用氮气的流量为第一流量，吹扫阳极所使用氮气的流量为第二流量；吹扫阳极和阴极所使用氮气的进气压力均为第一气压；

电堆升温到第一温度值后，使电堆在第一温度值下稳定一段时间；电堆在第一温度值下稳定一段时间后，预活化过程结束，停止氮气的吹扫，继续使电堆维持在第一温度值；

步骤S2、向电堆的阳极通入第二相对湿度值的氢气，和向电堆的阴极通入第三相对湿度值的氮气；其中，通入的氢气的流量为第三流量，氮气的流量为第四流量；通入的氢气的气压为第二气压，氮气的气压为第三气压，且第二气压比第三气压大于规定气压范围；

步骤S3、对电堆进行加载，具体为：对电堆的单片电池的单片电压从0V加载至第一电压值，重复电压加载N次；

步骤S4、停止向电堆的阴极通入氮气，切换成向电堆的阴极通入空气，其中，空气的相对湿度值等于氢气的第三相对湿度值，空气的气压等于氢气的第二气压，空气的流量为第五流量，氢气的流量保持为第三流量；

步骤S5、对单片电池的单片电压加载至第二电压值，使单片电压在第二电压值下维持一定时间；在第二电压值基础上按设定的固定电压值进行递减，使单片电压在每一次递减的电压值下维持一定时间；当单片电压递减到第三电压值时并在第三电压值维持一定时间后，停止对单片电池的单片电压进行加载。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括步骤S0、检测电堆的气密性是否符合气密性指标，若符合气密性指标则进入步骤S1，若不符合气密性指标则重新装配电堆,直至电堆的气密性符合气密性指标为止。

3.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，所示步骤S5后还包括步骤S6、停止对单片电池的单片电压进行加载后，用线性扫描法测试单片电池的极化曲线得到第一极化曲线；其中，线性扫描法的扫描范围OCV-0.5V，扫描速度5mV/s，OCV为开路电压；

步骤S7、重复步骤S5-S6，得到第二极化曲线，判断在0.55V～0.75V电压范围内且在同一电流下，第二极化曲线与第一极化曲线之间的电压偏差是否小于10mV，若是，则判断电堆的已完成活化；若第二极化曲线与第一极化曲线之间的电压偏差大于或等于10mV，则重复步骤S7，直至新的极化曲线与上一条极化曲线之间的电压偏差小于10mV，完成电堆的活化。

4.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，所述对电堆进行升温处理，具体方式为：预先对冷却液加热到第一温度值且维持在第一温度值；将第一温度值下的冷却液通入电堆进行升温处理；

所述一段时间为1min～5min。

5.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，所述电堆包括若干片单片电池，所述第一流量、第三流量的计算公式为：第一流量=单片电池的体积流量*电流*单片电池数量*过量系数；

所述第二流量、第四流量和第五流量的计算公式为：单片电池的体积流量*电流*单片电池数量*过量系数；

其中，过量系数的取值范围为1～3；单片电池的体积流量为预先设置的固定值，电流为电堆外接送气装置的输入值。

6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，所述第一流量=所述第三流量，所述第二流量=所述第四流量=所述第五流量。

7.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，所述第一气压为常压，所述第二气压为100kPa～150kPa，所述第三气压为100kPa～150kPa，所述规定气压范围为10kPa～30kPa。

8.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，所述第一相对湿度值=第二相对湿度值=第三相对湿度值=相对湿度值100%。

9.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，所述第一电压值为0.6 V，所述第二电压值为0.75 V，所述固定电压值为50mV，所述第三电压值为0.55V；所述一定时间为10min～30min。

10.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池堆的阳极活化方法，其特征在于，所述步骤S3中的N=5。

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