一种质子交换膜燃料电池的活化方法技术

本发明专利技术提供了一种质子交换膜燃料电池的活化方法。所述活化方法包括以下步骤：(1)氮气置换：将燃料电池电堆放置于测试平台上，将测试平台的氢气腔和空气腔进行湿氮气置换；(2)燃料电池电堆升温；(3)升高电压：将氢气腔置换为湿氢气，空气腔重新置换为湿空气；(4)氮气二次置换：将空气腔再次置换为湿氮气，氢气腔中依然为氢气，静置；(5)恒流放电循环：调整氢气腔的氢气，将空气腔置换为湿空气，将电流从初始电流拉载至预设电流，然后降载至初始电流，循环进行拉载

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池的活化方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，涉及一种质子交换膜燃料电池的活化方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件是膜电极MEA，MEA的性能好坏很大程度上决定了PEMFC性能的高低。虽然构成MEA的材料，包括催化剂、质子交换膜和扩散层的性能以及MEA的制备工艺对其性能有着很大影响，但是为了使PEMFC在开始工作后能快速达到它的最佳状态和工作性能，在制备好MEA并将其组装成燃料电池堆进行正常测试运行前，通常都要对MEA进行活化处理。此外，对于PEMFC长期停放一段时间而引起的性能衰减，也可以通过MEA活化在一定程度上恢复PEMFC的性能。
[0003]活化通常被认为包括以下过程：(1)质子交换膜的加湿过程；(2)物质(包含电子、质子、气体、水)传输通道的建立过程；(3)电极结构的优化过程；(4)提高催化层的活性和利用率。PEMFC的活化可以提高铂催化剂的活性，增加催化剂的利用率，加强质子交换膜的水合作用，提高燃料电池的输出性能。因此，MEA活化方法的选择对PEMFC的性能非常重要。传统的PEMFC活化过程通常需要几个小时或者几天，这不仅需要消耗大量氢气，还延迟了PEMFC生产周期。合理的活化方法，不仅可以提高PEMFC的性能，还可以极大地减少活化时间和降低气体燃料用量，从而大幅度降低活化成本。
[0004]US6730424B1公开一种燃料电池电堆的活化的方法，所述方法的步骤为：(1)阳极通加湿的氢气；(2)阴极通加湿的惰性气体；(3)外接电源给燃料电池施加电流，即电源正极接燃料电池阳极，电源负极接燃料电池阴极。该方法通过外加电源给燃料电池两侧施加电压，使阳极的氢气被氧化以质子的形式穿过催化层和质子交换膜到达阴极，质子在到达阴极的过程中由于外加电压的作用在阴极被还原重新生成氢气，阴极生成的氢气打开了催化层被封闭的孔，提高了孔隙率，优化了阴极催化层的孔结构，从而实现对燃料电池电堆活化的活化。该方法活化效果持久，但操作复杂，且需要附加电源，使得该方法受到极大限制，且该方法主要是活化电极结构，忽略了质子交换膜的活化，导致燃料电池电堆活化时间长，效率低，活化效果不理想。
[0005]CN110690482A公开了一种质子交换膜燃料电池的活化方法，包括以下步骤：1)将预处理的质子交换膜燃料电池阳极侧通入加湿氢气，阴极侧通入加湿空气，而后设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行；2)设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行，将阳极侧施加背压，而后将阳极侧背压降低为0，并将阴极侧施加背压，再将阴极背压降低为0；3)设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行，将阳极侧施加背压，而后将阳极侧背压降低为0，并将阴极侧施加背压，再将阴极背压降低为0；4)设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行，将阳极侧施加背压，而后将阳极侧背压降低为0，并将阴极侧施加背压，再将阴极背压降低为0；5)设置质子交换膜燃料电池以恒定电压或恒定电流模式运行，从而完成质子交换膜燃料电池的单轮活化过程；6)按照步骤2)
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5)重复5
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10次，从而完成所述质子交换膜燃料电池的活化。该文献中，通
过在质子交换膜燃料电池的阳极侧和阴极侧交替施加背压，使阳极侧和阴极侧形成压差，从而完成质子交换膜燃料电池的活化过程。但该活化过程用时较长，一般为几个小时甚至十几个小时，消耗的气体及电能较多，增加了质子交换膜燃料电池的使用成本。
[0006]因此，如何减少燃料电池活化过程中氢气的使用量，提升活化效果，降低活化成本，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的活化方法。本专利技术通过第一阶段的氮气置换，实现了质子交换膜的润湿，以及催化剂表面杂质的冲洗和氧化物的还原，提高催化剂的活性和利用率；第二阶段的氮气置换加放电循环，实现了反应生成的水对质子膜的加湿、物质传输通道的建立、电极结构的优化，同时还提高了电堆稳定性，使电堆处于一个较好的状态，提升了活化效果，极大地减少了活化时间，降低了气体燃料用量，从而大幅度降低了活化成本。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种质子交换膜燃料电池的活化方法，所述活化方法包括以下步骤：
[0010](1)氮气置换：将燃料电池电堆放置于测试平台上，将测试平台的氢气腔和空气腔进行湿氮气置换；
[0011](2)燃料电池电堆升温；
[0012](3)升高电压：将氢气腔置换为湿氢气，空气腔重新置换为湿空气；
[0013](4)氮气二次置换：将空气腔再次置换为湿氮气，氢气腔中依然为氢气，静置；
[0014](5)恒流放电循环：调整氢气腔的氢气，将空气腔置换为湿空气，将电流从初始电流拉载至预设电流，然后降载至初始电流，循环进行拉载
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降载的操作，活化结束。
[0015]本专利技术通过第一阶段的氮气置换，实现了质子交换膜的润湿，以及催化剂表面杂质的冲洗和氧化物的还原，提高催化剂的活性和利用率；第二阶段的氮气置换加放电循环，实现了反应生成的水对质子膜的加湿、物质传输通道的建立、电极结构的优化，同时还提高了电堆稳定性，使电堆处于一个较好的状态，提升了活化效果，极大地减少了活化时间，降低了气体燃料用量，从而大幅度降低了活化成本。
[0016]本专利技术在步骤(3)置换气体的过程中，就实现了电压的升高，且经过第二次氮气置换，可以实现电压的高低变化，但是无需进行电流拉载，这样就减少了氢气的用量，且氢气的流量完全不需要特别高，如果不进行第二次氮气置换，直接进行放电循环，则不利于氢气的节约和膜的充分润湿。
[0017]优选地，步骤(1)和步骤(4)所述湿氮气的湿度各自独立地为80～100％，例如80％、83％、85％、88％、90％、93％、95％、98％或100％等。
[0018]优选地，步骤(1)所述置换的时间为5～10min，例如5min、6min、7min、8min、9min或10min等。
[0019]本专利技术中，步骤(1)置换时间过短不能实现质子膜的充分润湿。
[0020]优选地，步骤(2)所述升温后的温度为70～90℃，例如70℃、75℃、80℃、85℃或90℃等。
[0021]优选地，步骤(3)中，将氢气腔重新置换为湿氢气，空气腔重新置换为湿空气，再进行恒流放电。
[0022]本专利技术步骤(3)中，升高电压后进行一次放电尝试(即进行氢气腔和空气腔置换后进行恒流放电尝试)，更有利于物质(包含电子、质子、气体、水)传输通道的建立，电极结构的优化。
[0023]优选地，所述恒流放电包括：
[0024]将燃料电池电堆从开路电流拉载至预设电流，进行放电。
[0025]本专利技术中的开路电流为0A，预设电流根据电堆的实际情况，适应性调整即可。
[0026]优选地，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，所述活化方法包括以下步骤：(1)氮气置换：将燃料电池电堆放置于测试平台上，将测试平台的氢气腔和空气腔进行湿氮气置换；(2)燃料电池电堆升温；(3)升高电压：将氢气腔置换为湿氢气，空气腔重新置换为湿空气；(4)氮气二次置换：将空气腔再次置换为湿氮气，氢气腔中依然为氢气，静置；(5)恒流放电循环：调整氢气腔的氢气，将空气腔置换为湿空气，将电流从初始电流拉载至预设电流，然后降载至初始电流，循环进行拉载
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降载的操作，活化结束。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(4)所述湿氮气的湿度各自独立地为80～100％；优选地，步骤(1)所述置换的时间为5～10min。3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，步骤(2)所述升温后的温度为70～90℃。4.根据权利要求1
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3任一项所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，步骤(3)中，将氢气腔重新置换为湿氢气，空气腔重新置换为湿空气，再进行恒流放电。5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，所述恒流放电包括：将燃料电池电堆从开路电流拉载至预设电流，进行放电。6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，所述拉载时间为20～30min；优选地，所述放电的时间为10～20min。7.根据权利要求1
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6任一项所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，步骤(4)中氢气的流量为100～200mA/cm2；优选地，步骤(4)所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈佩佩，王英，刘冬安，李潇龙，
申请(专利权)人：中汽创智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：