CN116404201A - 一种燃料电池膜电极活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池膜电极活化方法，具体包括以下步骤：(1)将燃料电池安装在测试台架上，将阳极气体设置为氢气，将阴极气体设置为氮气，分别向阳极和阴极吹扫氢气和氮气，对燃料电池进行预增湿；(2)控制燃料电池的温度为30‑60℃，通过预增湿保证燃料电池的阴极和阳极的相对湿度RH≥100％；(3)将阴极气体由氮气换为空气，在氢气计量比为1.0‑2.0，空气计量比≤1.3的条件下，对燃料电池进行强制放电处理，使燃料电池在≤0.3V的恒电压下运行，对燃料电池膜电极进行活化。本发明的技术方案解决了现有的燃料电池膜电极活化方法中耗时较长、活化不完全、催化剂利用率低、耗能较大的问题。

Description

一种燃料电池膜电极活化方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池膜电极活化方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其转化效率高、产物无污染等优点成为了当前的研究热点。其中，膜电极(MEA)是质子交换膜反应的核心部件，对MEA的优化直接决定PEMFC的性能。一个好的MEA不仅在材料选型上需要完美配合，制作完成后的初始激活也很重要。新制备的MEA结构上会有一定的缺陷，包括：催化层中催化剂和离聚物在混合过程中，离聚物团簇会包裹在催化剂颗粒的表面，导致反应气体很难达到催化剂表面，增加MEA的传质阻力，离聚物中的磺酸根也容易造成催化剂的毒化；催化层浆料在进行一遍喷涂过程中，溶剂会快速蒸发，从而在催化剂表面形成间隙，利于气体传导，而实际根据MEA所需的Pt的担载量不同，催化层浆料需要在质子交换膜上进行多遍喷涂(或刮涂)，一部分间隙会不断被堵塞，导致反应气体难以进入；MEA的热压过程中，施加较大的压力也会使一些孔被封闭。针对以上MEA本身出现的结构缺陷，需要好的激活方法才能解决。
目前使用最多的MEA活化方法就是恒电位或恒电流的方法，即采用强制大电流放电，利用产生大量的水向外扩散打开MEA中的水气通道，但这种方法在存在以下问题：大电流下运行一段时间，会消耗大量的气体；所需电池温度较高，消耗大量电能；反应速率过快，Pt在高电位时容易被氧化成PtO，降低反应效率，且一旦电流密度下降，MEA中的水不易快速排出；因此，现有的活化方法活化效率有限，并不能使MEA达到最佳状态。
目前关于燃料电池的活化方法研究仍有不足，因此，开发出一种能够高效、快速、节能的MEA激活方法尤为重要。
发明内容
根据上述提出现有的燃料电池膜电极活化方法中耗时较长、活化不完全、催化剂利用率低、耗能较大的技术问题，而提供一种燃料电池膜电极活化方法，活化过程中能够及时清除一部分对Pt具有毒化作用的磺酸根，能够缩短燃料电池膜电极的活化时间并提高活化效率，适用于燃料电池膜电极组件性能的提升。
本发明采用的技术手段如下：
一种燃料电池膜电极活化方法，具体包括以下步骤：
(1)将燃料电池安装在测试台架上，将阳极气体设置为氢气，将阴极气体设置为氮气，分别向阳极和阴极吹扫氢气和氮气，对燃料电池进行预增湿；
(2)控制燃料电池的温度为30-60℃，通过预增湿保证燃料电池的阴极和阳极的相对湿度RH≥100％；
(3)将阴极气体由氮气换为空气，在氢气计量比为1.0-2.0，空气计量比≤1.3的条件下，对燃料电池进行强制放电处理，使燃料电池在≤0.3V的恒电压下运行，对燃料电池膜电极进行活化。
进一步地，步骤(3)中，对燃料电池膜电极进行活化的过程中观察恒电压下燃料电池产生的电流密度，直至电流密度稳定不变，表明燃料电池膜电极已经活化完全。
进一步地，步骤(1)中，向阳极和阴极吹扫的氢气和氮气的相对湿度均为100％，吹扫时间为30min；步骤(3)中，空气的相对湿度为100％。
进一步地，完成燃料电池膜电极活化的时间为25min～40min。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的燃料电池膜电极活化方法，采用较低的电池温度进行活化：1)在较低的温度下，过饱和增湿更容易，电池产生的水也不会被快速蒸发，从而为存留在电极中的催化剂提供更多的水膜便于质子的传导，增湿所需时间也会缩短，更加节能；2)在较低温度下进行活化时，催化剂的反应效率会适当减缓，以防止催化剂中Pt快速氧化成PtO而降低反应活性。
2、本发明提供的燃料电池膜电极活化方法，采用较低的强制电压放电：1)燃料电池处于运行环境时，催化剂中一部分的Pt或其他贵金属会氧化成金属氧化物(如PtO等)，这样导致催化剂的活性下降，而降低电极电势会让一部分PtO或其他氧化物更容易被还原成Pt，从而提高催化剂使用效率；2)浆料分散原因会导致过多的-SO3H包裹在催化剂表面影响传质，造成催化剂毒化现象，而电压≤0.3V会对多余的-SO3H具有清除功能；3)电压较低时，电池负载较大会产生大量的水，形成水膜，有利于H+的传导。
3、本发明提供的燃料电池膜电极活化方法，采用较低的阴极气体用量，可以减小放电电流，控制电池产热速度，节省能耗。
4、本发明提供的燃料电池膜电极活化方法，活化时间较快，在25min～40min即可完成膜电极的活化，节省时间和氢气成本。
基于上述理由本发明可在燃料电池领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为采用本发明所述燃料电池膜电极活化方法对燃料电池膜电极进行活化过程中电流密度变化示意图。
图2为实施例1中三条极化曲线对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种燃料电池膜电极活化方法，包括对燃料电池进行预增湿后，在低温条件下，采用低计量比、低电压的恒压放电方式对燃料电池膜电极进行活化；
具体包括以下步骤：
(1)将燃料电池安装在测试台架上，将阳极气体设置为氢气，将阴极气体设置为氮气，分别向阳极和阴极吹扫氢气和氮气，对燃料电池进行预增湿；
(2)控制燃料电池的温度为30-60℃，通过预增湿保证燃料电池的阴极和阳极的相对湿度RH≥100％；
活化过程中，将燃料电池的温度设定低于正常工作温度，目的是在较低的温度下，燃料电池过饱和增湿更容易，增湿所需时间也会缩短，更加节能；在较低温度下进行活化时，催化剂的反应效率会适当减缓，以防止催化剂中Pt快速氧化成PtO而降低反应活性；
(3)将阴极气体由氮气换为空气，在氢气计量比为1.0-2.0，空气计量比≤1.3的条件下，对燃料电池进行强制放电处理，使燃料电池在≤0.3V的恒电压下运行，对燃料电池膜电极进行活化；
采用较低的强制电压放电能够让催化剂中的部分PtO或其他氧化物更容易被还原成Pt，从而提高催化剂使用效率；同时，控制活化过程中恒电压≤0.3V能够清除催化剂表面多余的-SO3H，减小-SO3H包裹对膜电极传质的影响。
进一步地，步骤(3)中，对燃料电池膜电极进行活化的过程中观察恒电压下燃料电池产生的电流密度，直至电流密度稳定不变，表明燃料电池膜电极已经活化完全，如图1所示。
进一步地，步骤(1)中，向阳极和阴极吹扫的氢气和氮气的相对湿度均为100％，吹扫时间为30min；步骤(3)中，空气的相对湿度为100％。
进一步地，采用本发明提供的活化方法，完成燃料电池膜电极活化的时间为25min～40min，针对不同的MEA材料，电池活时间不同。
优选地，控制燃料电池的温度为40℃，在0.2V～0.3V的恒电压下运行，对燃料电池膜电极进行活化，完成燃料电池膜电极活化的时间为30min。
本发明提供的燃料电池膜电极活化方法，能够利用低温加速膜电极饱和增湿速度、减缓PtO生成速率；低电压还原PtO至Pt，提高催化剂利用效率、清除-SO3H以防止毒化现象、增加H+传导速率；低计量比减小放电电流，控制电池产热速度，节省能耗；进而解决传统活化方法的能耗高、用时长、效率低等关键问题。
下面结合具体实例说明本发明所述燃料电池膜电极活化方法以及技术效果。
实施例1
在进行活化前，对燃料电池进行正常操作，阳极通入氢气，阴极通入空气，在燃料电池正常工作温度下，调整燃料电池背压为所需压力，采用电压扫描的方法进行极化曲线I(如图2所示)的测试，测试电压为OCV～0.6V，扫描速度为5mV/s。
采用本发明所述的燃料电池膜电极活化方法进行活化，具体包括以下步骤：
(1)将燃料电池安装在测试台架上，将阳极气体设置为氢气，将阴极气体设置为氮气，分别向阳极和阴极吹扫氢气和氮气，氢气和氮气的相对湿度均为100％，气体流量均为18L/h，吹扫时间为30min，将电池背压设置为0kPa，对燃料电池进行预增湿；
(2)控制燃料电池的温度为30-60℃，通过预增湿保证燃料电池的阴极和阳极的相对湿度RH≥100％；
(3)将阴极气体由氮气换为相对湿度为100％的空气，在氢气计量比为1.8，空气计量比为1.1的条件下，对燃料电池进行强制放电处理，使燃料电池在≤0.3V的恒电压下运行，对燃料电池膜电极进行活化；对燃料电池膜电极进行活化的过程中观察恒电压下燃料电池产生的电流密度，直至电流密度稳定不变，表明燃料电池膜电极已经活化完全；采用本实施例提供的活化方法，完成燃料电池膜电极活化的时间为25min～40min。
(4)活化完成后，将燃料电池温度升高至正常工作温度，调整电池背压为所需压力，进行极化曲线II(如图2所示)的测试，测试电压为OCV～0.6V，扫描速度为5mV/s，通过对比极化曲线I与极化曲线II，可以看出采用本实施例提供的活化方法能够实现对燃料电池膜电极的活化。
对同种MEA分别采用本实施例提供的活化方法与传统恒电流活化方法相比，氢气消耗量和活化时间对比如表1所示，可以看出，采用本发明提供的燃料电池膜电极活化方法，氢气消耗量更少，且活化时间较快，节省了时间和氢气成本。
表1
Figure BDA0004201767080000061
进一步地，通过重复步骤(1)至(3)的活化过程验证活化是否完全：
重复步骤(1)至(3)对燃料电池进行再一次活化，其中，步骤(3)中在恒电压下运行的时间为20min，然后将燃料电池温度升高至正常工作温度，调整电池背压为所需压力，保持测试电压为OCV～0.6V，扫描速度为5mV/s，继续采用电压扫描法进行极化曲线III(如图2所示)测试，如图2所示，极化曲线III与极化曲线II基本重合，表明采用本实施例提供的活化方法对燃料电池膜电极的活化已经比较充分。
最后应说明的是：以上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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种燃料电池膜电极活化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将燃料电池安装在测试台架上，将阳极气体设置为氢气，将阴极气体设置为氮气，分别向阳极和阴极吹扫氢气和氮气，对燃料电池进行预增湿；
(2)控制燃料电池的温度为30-60℃，通过预增湿保证燃料电池的阴极和阳极的相对湿度RH≥100％；
(3)将阴极气体由氮气换为空气，在氢气计量比为1.0-2.0，空气计量比≤1.3的条件下，对燃料电池进行强制放电处理，使燃料电池在≤0.3V的恒电压下运行，对燃料电池膜电极进行活化。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极活化方法，其特征在于，步骤(3)中，对燃料电池膜电极进行活化的过程中观察恒电压下燃料电池产生的电流密度，直至电流密度稳定不变，表明燃料电池膜电极已经活化完全。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极活化方法，其特征在于，步骤(1)中，向阳极和阴极吹扫的氢气和氮气的相对湿度均为100％，吹扫时间为30min；步骤(3)中，空气的相对湿度为100％。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极活化方法，其特征在于，完成燃料电池膜电极活化的时间为25min～40min。
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