CN114447376A - 一种燃料电池电堆的快速活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆的快速活化方法，该方法包括以下步骤：(1)将电子负载的电流密度拉载至第一电流密度，并恒流运行一段时间；(2)选取若干个电流密度，并将电子负载的电流密度从低到高依次拉载至选定的电流密度，并分别在每个电流密度下使电堆阴极缺氧放电；(3)将电子负载的电流密度拉载至第二电流密度，恒流运行一段时间；(4)观察电堆电压是否稳定，若电压不稳定，则重复步骤(2)、(3)，直至电压稳定，即电堆活化完成。在第一电流密度恒流阶段使MEA吸水湿润；阴极缺氧放电是利用氢泵效应打通质子交换膜的质子和气体传输通道。与现有技术相比，本发明方法活化电堆的效率较高，活化时间缩短至1小时内，耗氢量较低。

Description

一种燃料电池电堆的快速活化方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池电堆的快速活化方法。
背景技术
氢燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料氢气和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置，是继水力发电、火力发电、化学发电之后第四种发电方式，燃料电池可以持续发电，且生成物主要是水，基本上不排放有害气体，因此更加清洁环保，燃料电池拥有很多优势，由于其没有传统热机卡诺循环的限制，具有远高于内燃机30％-35％的能源转换效率，燃料电池最高能效转化率超过60％，且具备污染低、无机械震动、噪音低、能适应不同功率要求、可连续性发电、可靠性高等优势性能。
目前，现有燃料电池电堆的活化方法普遍是在电池堆的阴阳极通气后，在恒流模式下对电堆进行加载电流，通过在高电流条件下的长时间运行达到活化的目的。但是采用该方式对燃料电池电堆进行活化时，高电流的运行不仅增加了燃料氢气的消耗，长时间的活性运行也增加了活化运行成本。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种燃料电池电堆的快速活化方法，以克服现有技术中燃料电池电堆活化时间较长或燃料氢气消耗较大等缺陷。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池电堆的快速活化方法，包括以下步骤：
(1)在电堆的阳极、阴极分别通入氢气、空气，将电子负载的电流密度拉载至第一电流密度，并恒流运行一段时间；
(2)选取若干个电流密度，并将电子负载的电流密度从低到高依次拉载至选定的电流密度，并分别在每个电流密度下，使电堆阴极缺氧放电，缺氧放电操作过程具体为：
在恒流模式下降低阴极化学计量比，然后运行至电堆单节燃料电池的电压降至设定值，再立即将阳极/阴极化学计量比恢复为初始值，并继续恒流运行直至电压稳定；
(3)将电子负载的电流密度拉载至第二电流密度，恒流运行一段时间；
(4)观察电堆电压是否稳定，若电压不稳定，则重复步骤(2)、(3)，直至电压稳定；若电压稳定则说明电堆活化完成。
进一步的，步骤(1)中，第一电流密度为300-700mA/cm2，恒流运行的时间为5～15min。
进一步的，步骤(1)中，阳极、阴极的露点温度分别为50-60℃、60-70℃，电堆温度为70-75℃。
进一步的，步骤(1)中，通入阳极、阴极的气体压强分别为50-100kPa、40-80kPa。
进一步的，步骤(2)中，选取3-5个电流密度，且选取的电流密度为300-1000mA/cm2。
进一步的，步骤(2)中，阳极/阴极化学计量比的初始值为1.5：2.5，降低阴极化学计量比后的阳极/阴极化学计量比为1.5：(0.5-1.0)。
进一步的，步骤(2)中，所述设定值为0.05-0.2V。
进一步的，步骤(2)中，每个电流密度下重复缺氧放电操作过程3-5次。
进一步的，步骤(3)中，所述第二电流密度为1000-1500mA/cm2，恒流运行的时间为15-25min。
进一步的，步骤(4)中，若电堆单节燃料电池的电压波动大于5mV，则电压不稳定，若波动小于5mV，则电压稳定。
在燃料电池电堆第一电流密度恒流阶段可使膜电极(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)充分吸水湿润降低燃料电池传质阻抗。间歇阴极缺氧放电则是利用氢泵效应打通质子交换膜的质子或气体传输通道，达到MEA活化效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法大大加快了燃料电池电堆活化效率，采用本发明方法活化可以将活化缩短至1小时内；
(2)本发明方法活化燃料电池电堆的耗氢量较小。
附图说明
图1为本发明燃料电池电堆快速活化流程图；
图2为实施例1中3节金属电堆快速活化过程中电流电压变化图；
图3为对比例1常规活化与实施例1中3节快速活化对比图；
图4为对比例2常规活化与实施例2中370节快速活化对比图；
图5为实施例2中1000mA/cm2活化前后电堆各节燃料电池的电压对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
以下各实施例中，使用群益HTS-2000燃料电池测试平台对燃料电池电堆进行活化处理。
以下各实施例中，所用3节金属堆和370节金属堆均由河南豫氢动力有限公司提供。
实施例1：
本实施例对3节金属堆进行快速活化(活化过程中电流电压见图2)，具体实施步骤如下：
步骤1：将待活化的电池堆安装在测试平台上，连接气体管路、冷却水管道及电子负载。通入N2对电池堆的阴极和阳极进行吹扫。启动电子负载，使得测试平台与电子负载进行连接通讯。设置测试平台水罐预热温度，开启水泵，对准备活化的电池堆进行预热处理。设置各管路温度。
步骤2：待预热结束后，选择计量比模式，分别在阳极(a)、阴极(c)通入氢气、空气，并开启循环水，设置电堆工作参数：P(a/c)(压强比)＝100kPa：80kPa(通入阳极、阴极的气体压强分别为100kPa、80kPa)，Stoich(a/c)(化学计量比)＝1.5：2.5，DP(a/c)(露点温度)＝55℃/65℃，T电堆＝75℃。接通电子负载拉载至500mA/cm2恒流运行10min。
步骤3：将电子负载降至300mA/cm2，并将Stoich(a/c)(化学计量比)改为1.5：0.8，当电堆的单节燃料电池的电压降至0.1V，立即将Stoich(a/c)(化学计量比)改为1.5：2.5，直至电压稳定。
步骤4：重复步骤3操作5次。
步骤5：将电子负载依次拉至500/700/900mA/cm2，并分别重复步骤3、4。
步骤6：将电子负载升至1000mA/cm2恒流20min，结束后观察电压变化小于5mV，快速活化完成。
此时快速活化耗时共计约60min。
实施例2：
本实施案例对370节金属堆进行快速活化，具体实施步骤如下：
步骤1：将待活化的电池堆安装在测试平台上，连接气体管路、冷却水管道及电子负载。通入N2对电池堆的阴极和阳极进行吹扫。
步骤2：待吹扫结束后，选择计量比模式，分别在阳极(a)、阴极(c)通入氢气、空气，并开启循环水，设置电堆工作参数：P(a/c)(压强比)＝100kPa：80kPa(通入阳极、阴极的气体压强分别为100kPa、80kPa)，Stoich(a/c)(化学计量比)＝1.5：2.5，DP(a/c)(露点温度)＝55/65℃，T电堆＝73℃。待电堆达到设置条件后，电子负载拉至500mA/cm2恒流运行10min。
步骤3：将电子负载降至300mA/cm2，并将Stoich(a/c)(化学计量比)改为1.5：0.75，当电压降至0.1V，立即将Stoich(a/c)(化学计量比)改为1.5：2.5，直至电压稳定。
步骤4：重复步骤3操作3次。
步骤5：将电子负载依次拉载至500/700/800mA/cm2，并分别重复步骤3、4。
步骤6：将电子负载升至1000mA/cm2恒流10min，结束后观察电压变化小于5mV，快速活化完成。本实施例活化时间为1h。
实施例3：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将通入阳极、阴极的气体压强分别改为50kPa、40kPa。
实施例4：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将通入阳极、阴极的气体压强分别改为70kPa、60kPa。
实施例5：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将DP(a/c)(露点温度)＝55℃/65℃改为DP(a/c)(露点温度)＝50℃/60℃。
实施例6：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将DP(a/c)(露点温度)＝55℃/65℃改为DP(a/c)(露点温度)＝60℃/70℃。
实施例7：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将T电堆＝75℃改为T电堆＝70℃。
实施例8：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤2中“接通电子负载拉载至500mA/cm2恒流运行10min”改为“接通电子负载拉载至300mA/cm2恒流运行5min”。
实施例9：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤2中“接通电子负载拉载至500mA/cm2恒流运行10min”改为“接通电子负载拉载至700mA/cm2恒流运行15min”。
实施例10：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤5中500/700/900mA/cm2改为500/700/1000mA/cm2。
实施例11：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤5中500/700/900mA/cm2改为500/700mA/cm2。
实施例12：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤5中500/700/900mA/cm2改为500/700/900/1000mA/cm2。
实施例13：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤3中1.5：0.8改为1.5：0.5。
实施例14：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤3中1.5：0.8改为1.5：1.0。
实施例15：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤3中电压降至0.1V改为电压降至0.05V。
实施例16：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤3中电压降至0.1V改为电压降至0.2V。
实施例17：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤4中重复步骤3操作5次改为重复步骤3操作4次。
实施例18：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤6中电子负载升至1000mA/cm2恒流20min改为电子负载升至1500mA/cm2恒流15min。
实施例19：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将步骤6中电子负载升至1000mA/cm2恒流20min改为电子负载升至1200mA/cm2恒流25min。
对比例1：
选用3节金属堆，采用恒压活化方式进行活化，恒压活化时阴阳极的湿度均为50％，DP＝60℃，电堆温度T＝76℃，设置为恒压测试模式，按照单节0.8V，0.7V，0.6V，0.5V，0.6V，0.7V，0.8V为一轮，共活化3轮，之后设置为恒流测试模式将电流拉载至600A运行30min，若30min后电压不继续升高视为活化完全。本对比例中，恒压活化所需时间约3.5h。
对比例2：
选用370节金属堆采用“氢泵”的活化原理活化电堆，阴阳极的湿度均为75％，电堆温度T＝75℃，分别在阳极、阴极通入氢气、空气，具体步骤如下：
步骤1：将电子负载的电流密度加载至500mA/cm2恒流15min；
步骤2：将电子负载的电流密度升至1000mA/cm2然后降至3A左右，同时停止通入空气，然后在阴极通入一定量氮气(300mA/cm2对应的气量)直至电压为0.1V左右；
步骤3：重复步骤(2)2次；
步骤4：将电子负载的电流密度加载至1000mA/cm2，恒流30min。
本对比例活化时间约2h。
通过表1和图3、4可以看出，本发明快速活化方法与常规方法相比，活化效果相当，耗氢量及时间明显减少，满足批量化生产的需求。图5可以看出该活化方法同样适用于电堆节数较多的燃料电池电堆，且活化前后每一节性能提升都比较明显。
表1实施例与对比例的活化对比
Figure BDA0003475730390000071
上述的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 (10)

1.一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在电堆的阳极、阴极分别通入氢气、空气，将电子负载的电流密度拉载至第一电流密度，并恒流运行一段时间；
(2)选取若干个电流密度，并将电子负载的电流密度从低到高依次拉载至选定的电流密度，并分别在每个电流密度下，使电堆阴极缺氧放电，缺氧放电操作过程具体为：
在恒流模式下降低阴极化学计量比，然后运行至电堆单节燃料电池的电压降至设定值，再立即将阳极/阴极化学计量比恢复为初始值，并继续恒流运行直至电压稳定；
(3)将电子负载的电流密度拉载至第二电流密度，恒流运行一段时间；
(4)观察电堆电压是否稳定，若电压不稳定，则重复步骤(2)、(3)，直至电压稳定；若电压稳定则说明电堆活化完成。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，步骤(1)中，第一电流密度为300-700mA/cm2，恒流运行的时间为5～15min。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，步骤(1)中，阳极、阴极的露点温度分别为50-60℃、60-70℃，电堆温度为70-75℃。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，步骤(1)中，通入阳极、阴极的气体压强分别为50-100kPa、40-80kPa。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，步骤(2)中，选取3-5个电流密度，且选取的电流密度为300-1000mA/cm2。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，步骤(2)中，阳极/阴极化学计量比的初始值为1.5：2.5，降低阴极化学计量比后的阳极/阴极化学计量比为1.5：(0.5-1.0)。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，步骤(2)中，所述设定值为0.05-0.2V。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，步骤(2)中，每个电流密度下重复缺氧放电操作过程3-5次。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，步骤(3)中，所述第二电流密度为1000-1500mA/cm2，恒流运行的时间为15-25min。
10.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于，步骤(4)中，若电堆单节燃料电池的电压波动大于5mV，则电压不稳定，若波动小于5mV，则电压稳定。
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