燃料电池膜电极的活化方法技术

一种燃料电池膜电极的活化方法，该方法包括将阳极燃料和阴极燃料分别通入燃料电池的阳极室和阴极室中使燃料电池放电，其中，所述放电包括多个放电阶段，多个放电阶段之间还包括至少一个时间间隔，且电池在每个放电阶段均以恒定电压放电。本发明专利技术提供的燃料电池膜电极的活化方法能够使电池在较短的时间内完成活化操作并使电池具有较高的输出功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于一种膜电极的活化方法，更具体地说，是关于一种燃料电池膜电极的活化方法。
技术介绍
燃料电池是一种能量转换装置，它按电化学原理，把贮存在燃料(如氢气、低级醇等)和氧化剂(氧气)内的化学能转化成电能。燃料电池具有能量转换率高、环境友好等优点，而质子交换膜燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC)更具有可低温运行、比功率高等优点，是一种广泛应用的新型动力源。以氢气作为燃料的燃料电池的阳极反应和阴极反应的反应式分别如反应式(1)和(2)所示，在阴极上用作氧化剂的氧气通常来自空气。将阳极产生的质子转移到阴极的离子传导需要通过膜电极的质子交换膜来完成。H2-2e-→2H+(1)1/2O2+2H+2e-→H2O(2)膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料电池的核心部件，是燃料和氧化剂发生电化学反应产生电能的部位。如图1所示，膜电极包括阳极10，阴极11及位于阳极10和阴极11之间的质子交换膜12，阳极10包括阳极气体扩散层6、阳极催化层7，阳极催化层7位于阳极气体扩散层6和质子交换膜12之间，阴极11包括阴极气体扩散层8、阴极催化层9，阴极催化层9位于阴极气体扩散层8和质子交换膜12之间。实际上，在制备膜电极的过程中，膜电极的结构并没有达到最优化。这是因为：(1)催化层一般由全氟磺酸(nafion)和催化剂两种主要物质组成，-->全氟磺酸(nafion)起传导质子以及粘接催化剂的作用。在两者的混合过程中，会有部分催化剂的活性表面被全氟磺酸(nafion)覆盖，使阳极反应气无法达到催化剂表面。(2)在催化剂/全氟磺酸(nafion)浆料的涂布过程中，随着溶剂的挥发可以使催化剂表面产生一定量的空隙，这些空隙的存在有利于气体的传输。但在催化层的制备过程中，往往需要多次涂布才能达到需要的催化剂载量，因此有一部分空隙会在涂布过程中被堵塞，在催化剂表面形成了封闭孔和半封闭孔，而阳极的反应气很难进到这些孔内与催化剂接触。(3)膜电极通常是经过热压而形成的，在此过程中，催化物质与含有全氟磺酸(与固体聚合物电解除质膜同种组分)的溶液的混合物，通过涂布等手段在扩散层上形成的催化剂层，与固体聚合物电解质膜被加热至等于或高于电解质的玻璃化温度，在一定的压力下热压接合。由于催化层被压缩，也会封闭一些孔。反应气主要是依靠膜电极内部的孔向内传输的，但是由于上述问题使催化层的孔被封闭导致催化层的空隙率降低，增加了阳极反应气的传输障碍，使得阳极反应气无法完全被催化剂催化并与阴极燃料反应，造成燃料电池无法达到理想的功率输出。而质子交换膜只有在被水合后才能显示出足够的离子传导率，但膜电极的制作过程是一个使质子交换膜严重失水的过程，这个过程使质子交换膜的质子传导率显著下降，因此，在电池工作时，很难获得高性能功率，为了使燃料电池能达到或快速达到最佳工作状态，并提高膜电极中催化剂的利用率，都需要对燃料电池的膜电极进行活化。一般的活化方法通常为给反应气体加湿，以给电解质膜补充足够的水分，打开部分封闭孔使催化剂层与质子交换膜保持离子通道，提高质子由催化剂表面向质子膜的扩散速度。但是，在将膜电极放置一段时间后，即使将电池温度维持在规定温度，并将供给气体的温度和加湿量控制在一定程度，一般也难以在瞬时获得高性能的电池功率输出，要使膜电极完全润湿需要漫长的时间。日本特开平6-196187公开了一种燃料电池的活化方法，该方法在将加-->湿的氢气和加湿的氧气分别提供给燃料电池的阳极和阴极后，在燃料电池的两电极间施加1.3伏或更高的电压，使燃料电池持续放电，在放电过程中，电解质膜中水的电解生成氢气和氧气，使水的浓度梯度大幅加，因而增加了水的扩散速度，因此，电解质膜被迅速水合。该方法虽然能使电解质膜迅速水合，但采用单一的电压值活化，不利于电极反应的彻底进行，活化后电池的输出功率不高，如果电池的数目增加了，施加在该燃料电池电堆上的电压也会升高，则电流密度减小，使活化时间延长，短时间内仍无法得到较高功率输出的燃料电池。此外，为了尽快使电池发出高性能功率，还试图将电池置于纯氧环境中以更高的电流密度发电，或充分供给大流量气体进行电位限制以使电池电压维持在0伏附近等的活化方法，但是该方法比较危险，由于电流密度较大，若控制不好很容易发生反极现象，影响电池寿命，如果反极时间过长会造成膜电极被击穿。还有的方法将单电池温度保持在80℃左右，将电池两侧提供温度稍低于电池温度的加湿氢气和空气(氧气)。在无负载情况下，电池的开路电压大于0.98伏。然后，在氢气的利用率为80％，空气(氧气)的利用率为40％，电流密度为0.3伏/厘米2的条件下将电池进行放电，开始电池可获得0.7伏以上的电压，再将0.7伏以上的电池电压保持5000小时以上，电池电压不会下降，说明能够进行发电，从而将膜电极进行活化。这种方法虽然能够使电池发出较高性能的功率，但存在需要漫长活化时间的问题。此类方法的活化时间漫长，且活化后的燃料电池膜电极的输出功率仍然不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有的燃料电池膜电极活化方法为达到大输-->出功率所需活化时间较长的缺陷而提供一种在较短时间内就可以使电池具有大输出功率的燃料电池膜电极的活化方法。本专利技术提供了一种燃料电池膜电极的活化方法，该方法包括将阳极燃料和阴极燃料分别通入燃料电池的阳极室和阴极室中使燃料电池放电，其中，所述放电包括多个放电阶段，多个放电阶段之间还包括至少一个时间间隔，且电池在每个放电阶段均以恒定电压放电。本专利技术提供的燃料电池膜电极的活化方法为在将燃料电池进行放电的过程中，在所述多个放电阶段之间设置至少一个时间间隔，优选在每两个相邻的放电阶段之间均设置时间间隔，所述时间间隔，即，使电池停止放电的搁置时间，该隔着时间能够保证电池放电过程中产生的水对膜电极中质子交换膜的充分润湿，有利于质子交换膜的水合。此外，本专利技术的方法能够将电池的活化时间缩短为8小时之内就可以使电池具有较高的输出功率，更优选情况下，每个放电阶段电池的电压均在0.1-0.7伏之间，一方面，在不同的放电电压下产生于膜电极上的电流密度的分布是不均匀的，膜电极的每个区域的活化程度也不同，因此，优选将燃料电池在不同电压下进行恒压放电，能够保证膜电极的面积活化的更均匀，保证燃料电池能在短时间的活化后达到更高的功率输出；另一方面，使电池的放电电压在0.1-0.7伏之间，不会使电池由于电压过低、电流密度过大而发生反极影响电池寿命，又能使电池在相对大的电流密度下进行快速活化，进一步缩短了电池的活化时间。附图说明图1为膜电极的剖视图；图2为采用本专利技术的方法和现有方法活化后的燃料电池膜电极在不同电流密度下电池输出电压的曲线图。-->具体实施方式本专利技术的方法包括将阳极燃料和阴极燃料分别通入燃料电池的阳极室和阴极室中使燃料电池放电，其中，所述放电包括多个放电阶段，多个放电阶段之间还包括至少一个时间间隔，且电池在每个放电阶段均以恒定电压放电。所述燃料电池的结构为本领域技术人员所公知，如，所述燃料电池包括膜电极，所述膜电极位于隔板之间，所述膜电极包括阳极、阴极及位于阳极和阴极之间的质子交换膜，所述阳极和隔板之间还包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池膜电极的活化方法，该方法包括将阳极燃料和阴极燃料分别通入燃料电池的阳极室和阴极室中使燃料电池放电，其特征在于，所述放电包括多个放电阶段，多个放电阶段之间还包括至少一个时间间隔，且电池在每个放电阶段均以恒定电压放电。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池膜电极的活化方法，该方法包括将阳极燃料和阴极燃料分别通入燃料电池的阳极室和阴极室中使燃料电池放电，其特征在于，所述放电包括多个放电阶段，多个放电阶段之间还包括至少一个时间间隔，且电池在每个放电阶段均以恒定电压放电。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时间间隔为多个，每个时间间隔在不同的相邻的两个放电阶段之间。3.根据权利要求2所述的方法，其中，每两个相邻的放电阶段之间都包括时间间隔。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述时间间隔为2秒钟-10分钟。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述时间间隔为5秒钟-5分钟。6.根据权利要求1所述的方法，其中，放电阶段为2-...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟玉清，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]