燃料电池膜电极的活化方法技术

燃料电池膜电极的活化方法，所述燃料电池包括隔板、阳极室４、阴极室５和膜电极，所述膜电极位于隔板之间，所述膜电极包括阳极１，阴极２及位于阳极１和阴极２之间的质子交换膜３，所述阳极室４位于阳极１和隔板之间，所述阴极室５位于阴极２和隔板之间，该方法包括分别将电源的正极和负极与燃料电池的阳极１和阴极２连接，在燃料电池上施加一外电源，在闭合电源前向阳极室４中通入燃料，其中，向阴极室５中通入水。采用本发明专利技术提供的方法活化后的膜电极的活性面积得到显著提高，因此，燃料电池的功率得到显著提供。此外，本发明专利技术的活化方法操作简单，活化时间短，重复性好。

【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。以甲醇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。与以氢气作为燃料的燃料电池相同，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。CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-  (1)3/2O2+6H++6e-→3H2O    (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1，阴极2及位于阳极1和阴极2之间的质子交换膜3，阳极1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3之间，阴极2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3之间。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，一般都需要对燃料电池的膜电极进行活化。膜电极的催化层是燃料电池反应的核心区域，而阴极催化层又是反应最复杂的地方，因为在阴极不仅有反应气向电极内传输，还有产物水向外排出，如果反应气不能充分地满足反应的需要，或者产物水不能及时排出，都会在很大程度上影响反应的效率，使燃料电池无法达到满意的功率输出。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)在膜电极的热压过程中，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。改善这一问题的重要方法之一是优化膜电极的孔结构，对燃料电池的膜电极进行活化，使气体传输顺利进行。对燃料电池的膜电解进行活化的一般方法为采用大电流强制放电的方法对燃料电池的膜电极进行活化。即通过对燃料电池施加电流密度大于1200毫安/厘米2的电流，来实现膜电极的活化。这种活化方法的原理是：在高电流密度下，生成水的量相应增大，产物水向外扩散，可以改善阴极的孔结构，使水和气体的传导更加顺畅；产物水也向阳极进行反扩散，使质子膜的水合-->程度提高，在降低内阻的同时，可以降低质子传导阻抗。但这种方法也存在一定缺点，如，此方法的控制比较复杂，因为，在大电流放电的过程中，膜电极温度升高较快，虽然随着水的反扩散量的增加，电池内阻变化不大，但是一旦电流密度下降，电池温度可能过高，在散热不及时的情况下，容易造成质子膜的脱水，膜电极内阻急剧升高，导致膜电极的性能下降，影响活化效果。因此该方法需要严格地控制膜电极的温度与内阻的平衡。另外，膜电极在大电流工作时，阴极催化层容易积累大量水，造成催化层的“水淹”，虽然在降低电流密度时，“水淹”现象可以得到改善，但催化层内的结构并不能处于最佳状态，大量的水影响了气体的传导，所以这种方法的活化效率很有限。为了改善上述问题，US6730424公开了一种膜电极的活化方法，该方法为一种通过用于在阴极生成氢气而改善H2/空气燃料电池性能的方法，特别是对于空气阴极，所述燃料电池包括阳极、阴极和质子交换膜，所述方法包括下述步骤：(1)将增湿的氢气通入阳极；(2)将氢气或者增湿的惰性气体通入阴极或者在用惰性气体除去阴极的空气后关闭进气口敞开出气口，以及(3)给燃料电池施加电流，以电源的负极连接阴极，正极连接阳极。该方法利用电化学的原理，改善阴极结构，从而实现膜电极的活化。所述电化学活化的原理是：将阳极通入增湿的氢气，阴极通入增湿的惰性气体(氮气或氩气)以保证阴极的气体流动；在燃料电池两极施加电压，进行强制放电，使阳极氢气以氢离子的形式通过催化层和质子交换膜，并由于电渗作用渗透到阴极，在渗透到阴极的过程中重新生成氢气；在阴极产生的氢气打开了原来催化层上的孔，改善了阴极催化层的孔结构，从而实现膜电极的活化。CN1697228A公开了一种与上述原理相同的有机燃料电池的活化方法，该方法包括使来自于外电流的电源流过所述燃料电池，所述外电源的正极和-->负极分别与所述燃料电池的阳极和阴极连接，同时分别给所述阳极和所述阴极提供有机燃料和惰性气体。该方法也是依靠氢的“电渗”作用实现膜电极的活化。此类方法虽然活化效果持久，但是活化条件要求高，活化时间长，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的活化时间长且活化后的燃料电池功率小的缺点而提供一种活化时间短且活化后的燃料电池功率大的燃料电池膜电极的活化方法。本专利技术的专利技术人发现，在采用现有的方法对膜电极进行活化的过程中，(1)阴极产生的氢气虽然可以打开一定的封闭孔，但是对于半封闭孔的扩孔效果不佳。产生的氢气总是从阻力最小的空隙中向外扩散，而当氢气通过半封闭孔时由于没有足够的压差，从而无法对半封闭孔进行有效优化，因此，反应气与催化剂的有效接触面积受到限制，导致阳极和阴极的燃料无法充分反应，膜电极的输出电流和电压自然就受到影响。(2)当阴极采用惰性气体或氢气进行活化时，由于测试站的增湿器和管路等空间较大，导致气体置换的过程很长，通常需要1-2小时才能很好的进行活化操作。(3)采用现有方法活化膜电极时，为了保持质子交换膜充分水合，对反应气的温度和湿度要求较高，否则在放电活化过程中，若膜电极温度升高，会引起膜电极局部失水，造成膜电极内阻增加，影响膜电极的性能。本专利技术提供了一种燃料电池膜电极的活化方法，所述燃料电池包括隔板、阳极室4、阴极室5和膜电极，所述膜电极位于隔板之间，所述膜电极包括阳极1，阴极2及位于阳极1和阴极2之间的质子交换膜3，所述阳极室4位于阳极1和隔板之间，所述阴极室5位于阴极2和隔板之间，该方法-->包括分别将电源的正极和负极与燃料电池的阳极1和阴极2连接，在燃料电池上施加一外电源，在闭合电源前向阳极室4中通入燃料，其中，向阴极室5中通入水。本专利技术提供的膜电极的活化方法是利用“电渗”原理，通过在膜电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池膜电极的活化方法，所述燃料电池包括隔板、阳极室（４）、阴极室（５）和膜电极，所述膜电极位于隔板之间，所述膜电极包括阳极（１）、阴极（２）及位于阳极（１）和阴极（２）之间的质子交换膜（３），所述阳极室（４）位于阳极（１）和隔板之间，所述阴极室（５）位于阴极（２）和隔板之间，该方法包括分别将电源的正极和负极与燃料电池的阳极（１）和阴极（２）连接，在燃料电池上施加一外电源，在闭合电源前向阳极室（４）中通入燃料，其特征在于，向阴极室（５）中通入水。

【技术特征摘要】
1、一种燃料电池膜电极的活化方法，所述燃料电池包括隔板、阳极室(4)、阴极室(5)和膜电极，所述膜电极位于隔板之间，所述膜电极包括阳极(1)、阴极(2)及位于阳极(1)和阴极(2)之间的质子交换膜(3)，所述阳极室(4)位于阳极(1)和隔板之间，所述阴极室(5)位于阴极(2)和隔板之间，该方法包括分别将电源的正极和负极与燃料电池的阳极(1)和阴极(2)连接，在燃料电池上施加一外电源，在闭合电源前向阳极室(4)中通入燃料，其特征在于，向阴极室(5)中通入水。2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述水为去离...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨新胜，董俊卿，
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]