一种燃料电池快速活化方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池快速活化的方法。

技术背景

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置，具有功率密度高，无污染，噪声低等优点，具有广阔的应用前景。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池等。

燃料电池堆工作时，其内部发生了电化学反应。以质子交换膜燃料电池（pemfc）为例。以氢气做为燃料，pemfc的电极反应如下所示：

阳极：h2→2h⁺+2e^-

阴极：½o2+2h⁺+2e^-→h2o

从电极反应可以看出，在pemfc中阳极反应气体氢气通入阳极流道。反应气体通入电池后，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。

然而，电池完成初始组装后，需要提前在一定条件下对电堆进行活化处理，活化处理的目的是提高膜电极中催化剂的活性和利用率，使pemfc的输出性能达到最佳的状态。现有技术中燃料电池活化的内容主要包括催化剂的反应加速、膜水合、电接触表面形成和三相界形成。

公开号为cn109786789a的中国发明专利，公开了一种燃料电池膜电极活化方法与极化曲线的测试方法，所述燃料电池膜电极活化方法，包括如下步骤：s1：将燃料电池接通负载，并向燃料电池阴极通入氢气，阳极通入助燃气体且控制其运行温度为65~75℃，待单片燃料电池开路电压升至0.9~1v时，重复连续地强制性的提高所述燃料电池的输出电流，并降低其输出电压，使单片燃料电池最小的输出电压控制在0.2v~0.5v，并保持5~10min后，将所述燃料电池的输出电流设定为0a运行，直至所述燃料电池性能不再呈上升趋势时，将燃料电池停机1~5min；s2:重复步骤s1直至所述燃料电池完全活化并达到峰值性能时，所述燃料电池完成活化。该发明的技术方案虽然操作简便，但是依旧未能解决燃料电池活化过程中耗时较长和能耗较大的难题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种活化时间短、能源消耗量少且催化效率高的一种燃料电池快速活化的方法，包括如下步骤：

步骤一：检查燃料电池的气密性；

步骤二：将燃料电池与直流电源相连，所述燃料电池的阳极通入润湿的氢气，所述燃料电池的阴极通入对质子交换膜起润湿作用的蒸馏水；

步骤三：接通直流电源，通过直流电源调节电流使得一定的电流通过燃料电池。

优选地，所述的直流电源对燃料电池施加的电流使得燃料电池的电流密度为10~500ma/cm²。

优选地，接通直流电源后，燃料电池活化时间40~100min。

优选地，所述燃料电池与所述直流电源串联。

优选地，所述燃料电池的工作温度设置为40~60℃。

优选地，所述润湿的氢气相对湿度范围为60%~100%，通入计量比为2~3倍的氢气。

优选地，所述的燃料电池在停车时，其阳极和阴极通入氮气进行吹扫。

本发明产生的有益效果包括：

（1）氢气在阳极催化剂层发生氧化反应后，质子和电子分别从质子交换膜和外部电路传导至阴极催化层，两者再次结合生成氢气解离电压小于0.1v未解离氢条件下进行活化，在还原环境下更为高效地去除铂的氧化物薄膜，提高了催化剂的活性；

（2）活化过程加载质子交换膜燃料电池堆电流密度范围仅为10ma/cm2-500ma/cm²，因此只需要少量的氢气，能量消耗更少，显著降低了活化成本；

（3）本发明一种燃料电池快速活化的方法，整个活化过程约1.5h左右就可完成，极大地缩短了活化时间，增加了活化效率。

附图说明

图1为不同活化方法所得燃料电池的cv曲线对比图；

图2为不同活化方法所得燃料电池性能测试曲线对比图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。应当理解的是，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例1

本发明实施例以面积为25cm²单电池为实验对象，对其进行活化，具体步骤为：

步骤一：检查燃料电池的气密性，设置燃料电池工作温度为50℃；

步骤二：将燃料电池与直流电源相连，所述燃料电池的阳极通入润湿的氢气，所述燃料电池的阴极通入对质子交换膜起润湿作用的蒸馏水；所述润湿的氢气相对湿度范围为70%，通入计量比为3倍的氢气。

步骤三：接通直流电源，通过直流电源调节电流使得一定的电流通过燃料电池。

所述的直流电源对燃料电池施加的电流使得燃料电池的电流密度为100ma/cm²。

接通直流电源后，燃料电池稳定运行90min。

所述燃料电池与所述直流电源串联。

所述的燃料电池在停车时，其阳极和阴极通入氮气进行吹扫。

循环伏安曲线指电势以一定的扫描速率在根据材料性质所固定最高和最低电势之间循环扫描的得到的电流与电势的关系曲线图。

cv曲线测试条件如下表：

对活化处理后的单电池进行循环伏安法曲线（cv曲线）测试：测试前先用氮气吹扫燃料电池，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。得到的cv曲线如图1所示。三次测试的曲线几乎重合，说明活化后的单电池催化剂性能已经稳定。

实施例2

以30片活性面积为150cm²单电池组成电池堆为活化对象，对其进行快速活化，步骤包括：

步骤一：检查燃料电池的气密性，设置燃料电池工作温度为45℃；

步骤二：将燃料电池与直流电源相连，所述燃料电池的阳极通入润湿的氢气，所述燃料电池的阴极通入对质子交换膜起润湿作用的蒸馏水；所述润湿的氢气相对湿度范围为85%，通入计量比为2倍的氢气。

步骤三：接通直流电源，通过直流电源调节电流使得一定的电流通过燃料电池。

所述的直流电源对燃料电池施加的电流使得燃料电池的电流密度为350ma/cm²。

接通直流电源后，燃料电池稳定运行90min。

所述燃料电池与所述直流电源串联。

所述的燃料电池在停车时，其阳极和阴极通入氮气进行吹扫。

对活化前、后的电池堆进行性能对比测试，具体操作条件测得开路电位为0.656v，选择“线性扫描”功能，参数设置如下初始电位=0.656v，终止点位0v，扫描速度0.001v/s，静止时间2s，测得的30片单片燃料电池组成的燃料电池组在活化前以及采用上述活化条件活化后的电池堆性能对比图如图2所示，从图2可以看出燃料电池组在活化后期性能有显著的提升，输出功率增加。