一种质子交换膜燃料电池堆通用活化方法与流程

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池堆通用活化方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池（pemfc）是一种不需要经过燃烧而将燃料中的贮存的化学能直接转化为电能的发电装置，具有能量密度高、转换效率高、响应速度快、质量轻、体积小等特点，是一种具有广泛应用前景的新型动力源。以氢气作为燃料，pemfc的电极反应如下所示：

阳极：h2→2h⁺+2e^-

阴极：1/2o2+2h⁺+2e^-→h2o

从电极反应可以看出，在pemfc中氢气通入阳极流道，在催化剂的作用下解离为质子和电子，质子通过质子交换膜到达电池的阴极，电子则经过集流板收集，对外电路做功；氧气通过气体扩散层到达阴极催化侧表面，在催化剂的作用下，氧气与通过质子交换膜的质子、外电路电子结合生成水，放出大量热。

一般燃料电池堆在完成组装之后，需要在给定条件下进行活化处理，这种活化处理也称为“预处理”或“磨合”，通过活化处理提前构建物质传输通路以及提高催化剂活性，以使质子交换膜燃料电池工作时能快速达到最佳性能。目前燃料电池活化方法有恒流自然活化、恒流强制活化以及变流强制活化，其中恒流自然活化应用比较普遍，该方法是在电池堆的阴阳极分别通氧气和氢气后，在恒流模式下对电堆加载电流，通过在高电流条件下的长时间运行达到活化的目的。传统的恒流自然活化法需要消耗大量氢气及额外增湿装置，成本高，并且需要较长的活化时间（通常超过4h），大大影响电堆批量化生产的效率。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池堆通用活化方法，通过本发明能使质子交换膜燃料电池堆的快速完成活化过程，同时不需要消耗大量的氢气，从而降低活化成本。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种质子交换膜燃料电池堆通用活化方法，包括以下步骤：

s1：检查质子交换膜燃料电池堆气密性，设置燃料电池堆工作温度，温度范围为40～80℃；

s2：将质子交换膜燃料电池堆阴极接在负载的负极，阳极接在负载的正极，在质子交换膜燃料电池堆阳极通入润湿的空气，阴极通入润湿的氢气；

s3：将电子负载调至恒流模式，加载质子交换膜燃料电池堆，稳定运行10～60min。

优选的，步骤s2中通入的空气相对湿度范围为60%～100%，通入的氢气相对湿度范围为60%～100%。

优选的，步骤s2中通入的空气计量比设定在3.5～4.5，通入的氢气计量比设定在1.5～2.5。

优选的，步骤s2中通入空气和氢气计量比分别设定为4和2。

优选的，步骤s3中所述加载质子交换膜燃料电池堆的电流密度范围为10ma/cm²-1000ma/cm²。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的质子交换膜燃料电池堆活化方法先通过阴阳极互换，使得氢还原反应在阴极进行，氧化反应在阳极进行，此时阳极电位较高，而阴极电位降低（氢还原反应电位几乎为0v），以此来恢复质子交换膜燃料电池堆内催化剂的催化活性；并通过在质子交换膜燃料电池堆的阴极与阳极增湿进气的方式来提高膜电极的润湿性，以此提高导氢能力，且无需额外增湿装置；然后在恒流模式下加载电子负载，即可实现对质子交换膜燃料电池堆的活化。本发明可快速构建各物质（氢气、空气、质子、电子以及水）的传输通道，提高催化活性面积，优化电极结构，经本发明方法活化后电池堆性能明显提升，整个活化过程1h左右就可完成，简单便捷，与传统的恒流自然活化相比，活化时间大大缩短，效率提高，满足电堆批量化生产需求。

2、燃料电池催化剂在高电位下表面易呈氧化态，会使催化剂钝化，传统的活化方法运载电堆后，由于各物质的流通，催化剂通路被打开，增加了接触面积，活性得到提升，但催化剂表面氧化的问题并未得到改善，由于活化时间久还会加剧该问题，因此传统方法活化后电池堆能够高效运转的周期短。本发明将阴阳极替换后，阴极为一还原环境，有利于表面氧化膜的去除，且在整个活化过程对阴极起到保护作用，而阳极虽然活化时处于氧化态，但是活化时间短，对催化剂影响小，而且正式使用时就会恢复还原态，可以充分消除不良影响，因此本发明可以有效提高活化后电池的运转周期，活化效果更好。质子交换膜燃料电池使用一段时间后，也可用该方法进行活化，优化性能，进一步提高使用寿命。

3、活化过程加载质子交换膜燃料电池堆的电流密度范围仅为10ma/cm²～1000ma/cm²，低电流密度下也不影响活化效果，因此只需要低流量的空气和少量的氢气，与传统的恒流自然活化相比，能量消耗更少，显著降低了活化成本。

附图说明

图1：实施例1中采用本发明与传统恒流方式活化的单电池的cv曲线对比图。

图2：实施例2中电池堆活化前后的v-i曲线对比图。

图3：实施例3中采用本发明与传统恒流方式活化的电池堆的v-i曲线对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

以两个完全相同的25cm²单电池为实验对象，一个采用传统额定电流恒流方式进行活化，另一个采用本发明方式进行活化。采用本发明方式进行活化的具体步骤如下：

s1：检查质子交换膜燃料电池气密性，设置燃料电池工作温度为50℃；

s2：将质子交换膜燃料电池阴极接在负载的负极，阳极接在负载的正极，在质子交换膜燃料电池阳极通入润湿的空气，阴极通入润湿的氢气；通入的空气相对湿度为70%，通入的氢气相对湿度为70%；通入空气和氢气计量比分别设定为4和2；

s3：将电子负载调至恒流模式，加载质子交换膜燃料电池，电流密度为100ma/cm²，稳定运行40min。

对实施例1中采用两种方式活化的单电池进行cv曲线测试，测试前先用氮气吹扫pemfc直至开路电压约为0.1v左右才进行测试，电势扫描范围为0～1.0v，扫描速率为50mv/s，测试三次，cv测试条件如下：

测试结果如图1所示，从图中可以看出，本发明方法与传统方法扫描cv曲线结果相差不大，电池催化活性面积增加效果明显。

实施例2

以30片活性面积为266cm²的单电池组装而成的质子交换膜燃料电池堆为实验对象，比较质子交换膜燃料电池堆活化前后的性能，电池堆活化步骤如下：

s1：检查质子交换膜燃料电池堆气密性，设置燃料电池堆工作温度为45℃；

s2：将质子交换膜电池堆阴极接在负载的负极，阳极接在负载的正极，在质子交换膜电池堆阳极通入润湿的空气，阴极通入润湿的氢气；通入的空气相对湿度为80%，通入的氢气相对湿度为80%；通入空气和氢气计量比分别设定为4和2；

s3：将电子负载调至恒流模式，加载质子交换膜燃料电池堆，电流密度为50ma/cm²，稳定运行50min。

测定实施例2中的30片单电池组装而成的质子交换膜燃料电池堆活化前后的v-i曲线，测试结果如图2所示，从图中可以看出，较活化前，活化后电池堆性能提升明显。

实施例3

以两个完全相同的由24片活性面积为150cm²的单电池组装而成的质子交换膜燃料电池堆为实验对象，一个采用额定电流恒流方式进行活化，另一个采用本发明方式进行活化。采用本发明方式进行活化的具体步骤如下：

s1：检查质子交换膜燃料电池堆气密性，设置燃料电池堆工作温度为55℃；

s2：将质子交换膜燃料电池堆阴极接在负载的负极，阳极接在负载的正极，在质子交换膜燃料电池堆阳极通入润湿的空气，阴极通入润湿的氢气；通入的空气相对湿度为90%，通入的氢气相对湿度为90%；通入空气和氢气计量比分别设定为4和2；

s3：将电子负载调至恒流模式，加载质子交换膜燃料电池堆，电流密度为80ma/cm²，稳定运行40min。

测定实施例3中的采用两种方式活化的质子交换膜燃料电池堆的v-i曲线，测试结果如图3所示，从图中可以看出，较传统的额定电流恒流方式，采用本发明方式活化的电池堆性能更优。

本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在本发明权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。