一种提升燃料电池活化效率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于燃料电池领域，尤其设及提升燃料电池活化效率的方法，特别适用于 膜电极组件(MEA)特性评价前的预处理过程及监控单电池活化程度。
【背景技术】
[0002] 质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核屯、部分为膜电极组件(MEA)。在电池完成初始组 装后，此时膜电极中的催化剂大都处于离散状态，离散状态的催化剂的催化效果较差。为提 升MEA性能，使催化剂得到充分利用，需要对MEA进行活化处理。
[0003] 同时，由于MEA的催化层不仅有反应气向催化剂表面传输，还有水向外排出的功 能，如果反应气不能充分地满足反应的需要，或者水不能及时排出，都会影响电化学反应速 率，使燃料电池无法获得满意的输出功率。但是，MEA制备过程中，结构并没有达到最优化。 运是因为：（1)催化层一般由离子导电聚合物(如化fion)和催化剂两种物质组成，两者混合 过程中，会有部分催化剂的活性面积被离子导电聚合物覆盖，使反应气无法达到催化剂表 面；（2)MEA制备过程中，催化剂/离子导电聚合物浆料中溶剂逐渐挥发，使得催化剂表面产 生一定的空隙，运些空隙的存在有利于气体的传输。但在制备催化层的过程中，往往需要多 次喷涂才能达到预定的催化剂载量，因此有一部分空隙会在喷涂过程中被堵塞，在催化剂 表面形成了完全封闭的孔或者半封闭的孔，而反应气难W进入运些孔内与催化剂接触。（3) 在MEA的热压过程中，催化层被压缩，也会引起一些孔的封闭。反应气主要是依靠催化层内 部的孔向内传输的，但是由于上述问题的存在使得催化层的孔被封闭，导致整个催化层的 孔隙率降低或者孔的连续性降低，增加了反应气的传输障碍，使得反应气无法达到催化剂 表面参与反应，造成燃料电池无法获得理想的输出功率。通过合适的活化过程，可W优化催 化层的孔结构，使气体传输顺利进行，提升燃料电池性能。
[0004] 因此，燃料电池的活化不仅是一个增湿过程，更是一个优化催化层结构提升气体 传输效率的过程。
[0005] 现有技术的燃料电池活化方法为采用大电流强制放电的恒电流活化方法对MEA进 行活化，即通过对燃料电池施加较大电流，来实现对MEA的活化。运种活化方法的原理是:在 高电流密度下，生成水的量增大，产物水向MEA外部扩散，可W改善催化层的孔结构，构建有 利于水和气体传输的通道;产物水也向阳极进行反扩散，提升离子导电聚合物的水合程度， 不仅可W降低电池内阻，还可W降低催化层的质子传导阻抗。但运种方法存在的缺点是:耗 时较长，燃料消耗较大，而且通常情况下采用此种方法所得电池中MEA催化层结构并不能处 于最佳状态，活化效率有限。此外，因为在燃料电池进行大电流放电的过程中，MEA溫度升高 较快，虽然可能随着水反扩散量的增加，电池的内阻变化并不大，但是一旦电流密度降低， 电池溫度可能会过高，在散热不及时的情况下，容易导致质子膜及催化层中聚合物脱水， MEA内阻急剧升高，导致MEA的性能下降，影响活化效果。因此该方法对控制MEA的溫度与内 阻的平衡有极其严格的要求。
[0006] 为了改善上述问题，US6730424B1公开了一种新型活化方法，该方法通过在阴极生 成氨气达到提升燃料电池性能的效果，所述方法包括下述步骤：（1)将增湿的氨气通入阳 极；（2)将增湿的惰性气体通入阴极，W外接电源的负极连接燃料电池阴极，正极连接燃料 电池阳极，给燃料电池强行施加一定电流。该方法是利用电化学原理改善阴极结构，从而实 现MEA活化的。其基本原理为:将阳极通入增湿的氨气，阴极通入增湿的惰性气体W保证阴 极的气体流动;在燃料电池两侧施加电压，进行强制放电，使阳极氨气W氨离子的形式通过 催化层和质子交换膜，并通过电渗透移动到阴极，在阴极重新生成氨气;此时阴极产生的氨 气可W打开催化层中封闭孔道，改善阴极催化层的孔结构，从而实现对MEA的活化。此类方 法虽然活化效果较好，但是活化条件要求过高，需要外接电源，使得该方法受到极大限制。
[0007] 另外，由于MEA本身特性的不同可能会导致其活化所需时间的不同，而现有活化方 法基本都无法直观判断燃料电池的活化程度，使得活化过程具有一定的盲目性，因此寻找 一种可W监控MEA活化状态的方法是本领域需要解决的技术问题。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种提升燃料电池活化效率和监控活化程度的方法，W克服 现有活化方法活化所需时间长和活化程度无法监控的不足。
[0009] 本发明的技术方案是:一种提升燃料电池活化效率的方法，包括恒电压活化处理、 在阴极采用氮气替代空气的情况下对电池进行强制放电处理和电压扫描法测试电池极化 曲线，其特征在于:所述提升燃料电池活化效率的方法包括W下步骤；
[0010] 1)电池正常操作，阳极通入氨气，阴极通入空气，升高电池溫度至所需溫度，用电 压扫描法测试活化前的电池极化曲线，得极化曲线I;
[0011] 2)在阴极采用氮气替代空气情况下对电池进行强制放电处理，电池电压低于 0.1V；
[0012] 3)用电压扫描法测试经过步骤2)的电池极化曲线，得极化曲线n ;
[001引4)维持化学计量比为1.0~1.5W下通入空气情况下进行2次恒电压活化处理，并 在每次活化处理后用电压扫描法测试电池极化曲线，分别得极化曲线m和极化曲线IV;
[0014] 5)分析极化曲线m和极化曲线IV，根据极化曲线m和极化曲线IV的偏差程度判断 活化是否完成。
[0015] 本发明所述一种提升燃料电池活化效率的方法，其特征在于:所述在阴极采用氮 气替代空气情况下对电池进行强制放电处理是控制电流分别在0.25A和0.1 OA各维持5min。
[0016] 本发明所述一种提升燃料电池活化效率的方法，其特征在于:所述恒电压活化处 理是先在0.6V维持15min，然后在OCV维持Imin，接着在0.4V维持15min，其中OCV为开路电 压。
[0017] 本发明所述一种提升燃料电池活化效率的方法，其特征在于:所述根据极化曲线 m和极化曲线IV的偏差程度判断活化是否完成包括:在同等电流密度下若二曲线电压偏差 在IOmV之内，则活化完成;在同等电流密度下若二曲线电压偏差超出IOmV,则重复步骤6)和 7)，直至两曲线偏差达到在同等电流密度下二曲线电压偏差在IOmV之内。
[0018] 本发明所述一种提升燃料电池活化效率的方法，其特征在于:所述电压扫描法测 试电池极化曲线为，将电池连接负载，通过控制负载控制电池输出电压的线性变化，线性扫 描范围OCV~0.4V，扫描速度5mV/s，其中OCV为开路电压。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 1、用电压扫