CN117276589A - 一种pem燃料电池双氢变流联合活化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出PEM燃料电池双氢变流联合活化方法，包括气密性检查、连接测试台架、双氢活化、变流活化等步骤，变流活化步骤中控制负载对电堆施加变载电流，分为中电密及高电密两组变载工况，电流阶跃幅度控制在100mA/cm2‑300mA/cm2，采用双氢活化与变流活化联合应用的方式，可以充分发挥各自优势，提升活化效率。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种PEM燃料电池双氢变流联合活化方法。
背景技术
氢能被认为是解决能源与环境问题的绿色能源。作为最有潜力的氢能利用方式，燃料电池汽车近年来迎来了蓬勃发展阶段，但是其核心部件PEM燃料电池电堆的批量化生产工艺还未完全成熟，电堆组装完成之后并不能立即达到最优性能，需要进行较长时间的活化才能达到电堆最佳状态。电堆活化本质上是膜电极的活化，通常认为活化过程包括质子交换膜的增湿，膜电极内部水、质子、电子、气体通道的建立，催化剂形貌的优化及活性位点的暴露。合理的活化策略可以有效提升膜电极的性能，并且不会对膜电极寿命造成大的影响。
初装电堆通过活化工艺，性能会逐步提升，并逐渐达到稳定，此时即可认为电堆活化完成，传统的电堆活化所需要的时间在几小时甚至十几小时，活化效率较低，限制批量化生产。
发明内容
本发明针对现有电堆活化方法耗时长，效率低的技术问题，提出一种双氢活化与变流活化相结合，可快速实现电堆快速下线活化的PEM燃料电池双氢变流联合活化方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种PEM燃料电池双氢变流联合活化方法，包括如下步骤：
(1)将组装好的燃料电池电堆进行气密性检查；
(2)将检查合格的电堆与测试台架连接，连接方式为：测试台供氢管路与电堆氢气入口连接，电堆氢气出口与电堆空气入口连接，电堆空气出口与测试台氢气出口连接，并连接好测试台的电压巡检；将电源正负极与电堆集流板相连；
(3)向电堆通入相对湿度50％-90％的氮气，流量5-10NLPM，时间1-3分钟，排出电堆内部的氧气；随后向电堆内通入相对湿度50％-90％的氢气，流量5-10NLPM，时间2-3分钟，使电堆内部全部为氢气；
(4)利用直流电源向电堆施加160mA/cm2-400mA/cm2的电流，持续1-5分钟后关闭电源，等待0.5-2分钟；
(5)重复步骤(4)直至CVM电压采集系统显示电压保持稳定；此后向电堆通入相对湿度50％-90％的氮气，时间1-2分钟，完成双氢活化；
(6)更改测试台参数，快速拉载至500mA/cm2以上；
(7)通过控制负载对电堆施加变载电流，分为中电密及高电密两组变载工况，电流阶跃幅度控制在100mA/cm2-300 mA/cm2，中电密变载工况电流密度为1500mA/cm2-1850 mA/cm2，高电密变载工况电流密度为1850mA/cm2-2100 mA/cm2，每个电流点停留时间为60s-300s；
(8)拉载完成后快速降载至开路，将水腔、氢腔和空腔背压降为0，改用湿氮气吹扫1-5分钟，完成快速变流活化。
作为优选，活化过程中电堆冷却水温度为20-80℃，冷却水流量1-3LPM，背压30-100kPa。
作为优选，步骤(4)中直流电源向电堆施加电流值为250mA/cm2-350mA/cm2的，持续1-5分钟后关闭电源。
作为优选，步骤(3)中氮气和氢气的相对湿度为70％-80％。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明采用双氢活化与变流活化联合应用的方式，双氢活化活化效率高，对催化剂有优异的活化效果，氢气消耗量少，能大幅节约时间成本及电堆生产成本；快速变流活化能使膜电极含水量快速上升，离子通道、气体通道及水通道迅速建立，快速提升电堆发电性能，两种活化方式联合使用可以充分发挥各自优势，提升活化效率，能够明显缩短活化时间。
附图说明
图1为本发明双氢活化阶段电流随时间的变化图；
图2为本发明变流活化阶段电流随时间的变化图；
图3为本发明对比例中电流随时间的变化图；
图4为本发明未进行任何活化、只进行双氢活化、以及实施例中的电堆极化曲线图；
图5为本发明实施例与对比例活化后的电堆极化曲线图；
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例做具体说明。
实施例：
本实施例以电堆活性面积300cm2，单电池片数为5片，采用石墨双极板的燃料电池电堆为例，进行双氢变流联合活化，具体步骤如下：
(1)将组装好的燃料电池电堆进行气密性检查。
(2)将检查合格的电堆与测试台架连接，连接方式与在线活化测试不同，为保证氢腔和空腔均为氢气气氛，测试台供氢管路与电堆氢气入口连接，电堆氢气出口与电堆空气入口连接，电堆空气出口与测试台氢气出口连接，并连接好测试台的电压巡检；将电源正负极与电堆集流板相连。
(3)保持电堆冷却水温度为75℃，冷却水流量2LPM，背压80kPa。向电堆通入相对湿度70％的氮气，流量6NLPM，时间2分钟，排出电堆内部的氧气；随后向电堆内通入相对湿度70％的氢气，流量6NLPM，时间3分钟，使电堆内部全部为氢气。
(4)利用直流电源向电堆施加90A的电流，持续1分钟后关闭电源，等待0.5分钟。
(5)重复步骤(4)直至CVM电压采集系统显示电压保持稳定；此后向电堆通入相对湿度80％-90％的氮气，时间2分钟，完成双氢活化，该阶段电流随时间变化如图1所示。
(6)更改测试台参数，快速拉载至1500mA；随后控制负载加载电流至480A并以恒流放电模式在该电流密度下持续运1分钟，控制负载加载电流至540A并持续1分钟。
(7)重复步骤6三次后控制负载加载电流至600A并以恒流放电模式在该电流密度下持续运1分钟，控制负载加载电流至560A并持续1分钟，重复三次，完成快速变流活化，该阶段电流随时间变化如图2所示。
(8)拉载完成后快速降载至开路，将水腔、氢腔和空腔背压降为0，改用湿氮气吹扫1-5分钟，完成活化。
对比例：
对比例以与实施例相同的燃料电池电堆为例进行活化，具体步骤如下：
首先将电堆与测试台连接，并确认气密合格后，按照电堆技术要求将电流拉载至300A，保持30分钟，随后按照图3所示在360A-450A之间及450A-510A之间变载活化，每个电流点停留10分钟。
如图4所示为未进行任何活化、只进行双氢活化、以及实施例中进行了双氢-变流联用活化的电堆的极化曲线，从图中可以看出只进行双氢活化的电堆性能得到了部分提高，本实施例电堆性能提高最为明显。说明本实施例所述的PEM燃料电池双氢变流联合活化方法能够使燃料电池比单一活化方式更好的活化效果。如图4所示为实施例与对比例活化后的电堆的极化曲线，从图中可以看出本实施例所述的PEM燃料电池双氢变流联合活化方法能够达到现有技术的活化效果。本发明双氢变流联合活化方法活化时间小于1小时，对比例包括现有技术中传统活化方法耗时约3小时，本发明双氢变流联合活化方法在达到与现有技术相同活化效果的条件下可以有效缩短活化时间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种PEM燃料电池双氢变流联合活化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将组装好的燃料电池电堆进行气密性检查；
(2)将检查合格的电堆与测试台架连接，连接方式为：测试台供氢管路与电堆氢气入口连接，电堆氢气出口与电堆空气入口连接，电堆空气出口与测试台氢气出口连接，并连接好测试台的电压巡检；将电源正负极与电堆集流板相连；
(3)向电堆通入相对湿度50％-90％的氮气，流量5-10NLPM，时间1-3分钟，排出电堆内部的氧气；随后向电堆内通入相对湿度50％-90％的氢气，流量5-10NLPM，时间2-3分钟，使电堆内部全部为氢气；
(4)利用直流电源向电堆施加160mA/cm2-400mA/cm2的电流，持续1-5分钟后关闭电源，等待0.5-2分钟；
(5)重复步骤(4)直至CVM电压采集系统显示电压保持稳定；此后向电堆通入相对湿度50％-90％的氮气，时间1-2分钟，完成双氢活化；
(6)更改测试台参数，快速拉载至500mA/cm2以上；
(7)通过控制负载对电堆施加变载电流，分为中电密及高电密两组变载工况，电流阶跃幅度控制在100mA/cm2-300 mA/cm2，中电密变载工况电流密度为1500mA/cm2-1850 mA/cm2，高电密变载工况电流密度为1850mA/cm2-2100 mA/cm2，每个电流点停留时间为60s-300s；
(8)拉载完成后快速降载至开路，将水腔、氢腔和空腔背压降为0，改用湿氮气吹扫1-5分钟，完成快速变流活化。
2.根据权利要求1所述的PEM燃料电池双氢变流联合活化方法，其特征在于：活化过程中电堆冷却水温度为20-80℃，冷却水流量1-3LPM，背压30-100kPa。
3.根据权利要求1所述的PEM燃料电池双氢变流联合活化方法，其特征在于：步骤(4)中直流电源向电堆施加电流值为250mA/cm2-350mA/cm2的，持续1-5分钟后关闭电源。
4.根据权利要求1所述的PEM燃料电池双氢变流联合活化方法，其特征在于：步骤(3)中氮气和氢气的相对湿度为70％-80％。
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