一种燃料电池的活化方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池的活化方法。


背景技术：

2.燃料电池性能的高低在很大程度上取决于膜电极性能的发挥，mea的组成部分(如电催化剂、质子交换膜、气体扩散层等)或ccm组成部分(如电催化剂、质子交换膜)的性能以及mea或ccm的制备工艺对其性能固然有较大的影响，然而对于给定的mea或ccm，为了使其在较短的时间内迅速达到和发挥其固有的最佳性能，需要对燃料电池进行有效的活化。因此，新生产的燃料电池通常需要活化来达到其最佳的性能。
3.目前为止比较常用的活化方式有：
⑴
变流强制活化；
⑵
恒流强制活化；
⑶
恒流自然活化。恒流强制活化与恒流自然活化的活化时间基本都大于20小时，而变流强制活化的时间超过6小时。
4.cn108232243a公开了一种质子交换燃料电池的活化方法，包括于质子交换膜燃料电池阴极通入增湿氮气，阳极通入增湿氢气，检查质子交换膜燃料电池气密性；设置电池工作温度；达到设置温度后，持续保持阴极氮气和阳极氢气通入2～3h；将阴极通入气体转换为增湿的氧气和/或空气，对所述质子交换膜燃料电池进行极化性能测试和/或循环伏安法测试5～10次，再次将阴极通入气体转换为增湿氮气，并保持10～20min；重复步骤四10～20次，至所述质子交换膜燃料电池极化性能保持稳定。
5.cn102097631a中提出的方法，在装堆后对mea使用去离子水进行润湿，一方面较难控制去离子水在电堆里的分配，无法保证每片mea得到充分的润湿，润湿时间长、效果较差；另外，去离子直接润湿可能会在电堆内残留大量液态水，在后续的活化过程中，如恒电流活化中增加拉载的难度，甚至导致电堆发生水淹，引发反极。且由于mea润湿引起厚度变化，后续需要进一步调整电堆夹具，活化过程复杂。
6.上述方案存在有活化时间较长或活化过程过于复杂的问题。为了达到充分的活化效果，燃料电池的活化往往需要数小时甚至数十小时以上来完成，这对于燃料电池的商品化生产是极为不利的，同时在数小时甚至数十小时的活化过程中，需要耗费大量的氢气且长时间占用设备资源造成资源利用率过低的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种燃料电池的活化方法，本发明所述燃料电池的活化方法中，活化的时间可以控制在2～3h，大大缩短了燃料电池的活化时间，提高了活化效率，降低能耗。
8.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种燃料电池的活化方法，所述活化方法包括以下步骤：
10.(1)将燃料电池堆在温度≥70℃，湿度≥90％的条件下进行一步连续循环强制变电流活化；
11.(2)断气，对所述燃料电池电堆进行放电降电压处理，停机保温；
12.(3)重启电堆，进行二步强制变电流活化，完成活化。
13.本发明在高温高湿条件下对燃料电池电堆进行活化，不仅可以降低活化能耗，节约活化成本，同时可以提高活化效率，减少活化时间，从而提高燃料电池测试装置的利用率。
14.优选地，步骤(1)所述一步连续循环强制变电流活化的温度为70～95℃，例如：70℃、80℃、85℃、90℃或95℃等。
15.优选地，步骤(1)所述一步连续循环强制变电流活化的湿度为90～100％，例如：90％、92％、95％、98％或100％等。
16.优选地，步骤(1)所述一步连续循环强制变电流活化的时间为0.5～1h，例如：0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h或1h等。
17.优选地，步骤(1)所述一步连续循环强制变电流活化的电流密度为0.05～2a/cm2，例如：0.05a/cm2、0.1a/cm2、0.5a/cm2、0.9a/cm2、1a/cm2、1.5a/cm2、1.8a/cm2或2a/cm2等。
18.优选地，步骤(2)所述放电降电压处理的电流密度为8～12ma/cm2，例如：8ma/cm2、9ma/cm2、10ma/cm2、11ma/cm2或12ma/cm2等。
19.优选地，所述放电降电压处理的终点电压为0.1～0.15v，例如：0.1v、0.11v、0.12v、0.13v、0.14v或0.15v等。
20.燃料电池放电停止电压自动释放过程缓慢，而高电位下运行时会对电堆催化剂产生影响，造成催化剂团聚，使质子膜变薄等；故本发明通过在电堆停止供气后通过低电密放电，使电堆降低在高电位下停留时间，尽可能避免电堆在高电位下停留时间过长而对电堆性能产生影响。
21.优选地，步骤(2)所述停机保温的温度为25～30℃，例如：25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃等。
22.优选地，所述停机保温的时间为0.8～1.2h，例如：0.8h、0.9h、1h、1.1h或1.2h等。
23.优选地，步骤(3)所述二步连续循环强制变电流活化的温度为70～95℃，例如：70℃、80℃、85℃、90℃或95℃等。
24.优选地，步骤(3)所述二步连续循环强制变电流活化的湿度为90～100％，例如：90％、92％、95％、98％或100％等。
25.优选地，步骤(3)所述二步连续循环强制变电流活化的时间为0.5～1h，例如：0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h或1h等。
26.优选地，步骤(3)所述二步连续循环强制变电流活化的电流密度为0.05～2a/cm2，例如：0.05a/cm2、0.1a/cm2、0.5a/cm2、0.9a/cm2、1a/cm2、1.5a/cm2、1.8a/cm2或2a/cm2等。
27.作为本发明的优选方案，所述活化方法包括以下步骤：
28.(1)将燃料电池堆在70～95℃，湿度为90～100％的条件下以0.05～2a/cm2的电流密度进行0.5～1h的一步连续循环强制变电流活化；
29.(2)断气，对所述燃料电池电堆以8～12ma/cm2的电流密度进行放电降电压至0.1～0.15v，在25～30℃下停机保温0.8～1.2h；
30.(3)重启电堆，在70～95℃，湿度为90～100％的条件下以0.05～2a/cm2的电流密度进行0.5～1h的二步强制变电流活化，完成活化。
31.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
32.(1)本发明所述燃料电池活化方法将传统燃料电池活化的氢气通气时间大幅度缩短，节省了氢气用量，活化时间可缩短至2～3h。
33.(2)本发明所述方法不仅可以降低活化能耗，节约活化成本，同时可以提高活化效率，减少活化时间，从而提高燃料电池测试装置的利用率。
附图说明
34.图1是实施例1和对比例1所述活化方法得到的燃料电池的活化性能对比图如图1所示，其中，v1为实施例1进行电堆活化后极化曲线，v2为对比例1进行电堆活化后极化曲线。
具体实施方式
35.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
36.实施例1
37.本实施例提供了一种燃料电池的活化方法，所述活化方法包括以下步骤：
38.(1)将燃料电池堆在温度为80℃，湿度为95％的条件下，分别在0.1a/cm2、0.5a/cm2、0.9a/cm2、1.1a/cm2、1.5a/cm2、1.8a/cm2停留3min，然后进行快速降载，在1h的时间内进行三轮连续强制放电变载活化(一步连续循环强制变电流活化)；
39.(2)在一步连续循环强制变电流活化后，停止供气，对所述燃料电池电堆以10ma/cm2的电流密度进行放电降电压至0.12v，电堆快速降温到30℃，保持1h；
40.(3)重启电堆在温度为82℃，湿度为93％的条件下，分别在0.1a/cm2、0.5a/cm2、0.9a/cm2、1.1a/cm2、1.5a/cm2、1.8a/cm2停留3min，然后进行快速降载，在40min的时间内进行二轮连续强制放电变载活化。
41.实施例2
42.本实施例提供了一种燃料电池的活化方法，所述活化方法包括以下步骤：
43.(1)将燃料电池堆在温度为90℃，湿度为98％的条件下，分别在0.2a/cm2、0.4a/cm2、1a/cm2、1.2a/cm2、1.6a/cm2、1.8a/cm2停留3.2min，然后进行快速降载，在1h的时间内进行三轮连续强制放电变载活化(一步连续循环强制变电流活化)；
44.(2)在一步连续循环强制变电流活化后，停止供气，对所述燃料电池电堆以11ma/cm2的电流密度进行放电降电压至0.14v，电堆快速降温到30℃，保持1h；
45.(3)重启电堆在温度为93℃，湿度为99％的条件下，分别在0.2a/cm2、0.4a/cm2、1a/cm2、1.2a/cm2、1.6a/cm2、1.8a/cm2停留3.2min，然后进行快速降载，在40min的时间内进行二轮连续强制放电变载活化。
46.实施例3
47.本实施例提供了一种燃料电池的活化方法，所述活化方法包括以下步骤：
48.(1)将燃料电池堆在温度为80℃，湿度为95％的条件下，分别在0.1a/cm2、0.5a/cm2、0.9a/cm2、1.1a/cm2、1.5a/cm2、1.8a/cm2停留3min，然后进行快速降载，在1h的时间内进行三轮连续强制放电变载活化(一步连续循环强制变电流活化)；
49.(2)在一步连续循环强制变电流活化后，停止供气，对所述燃料电池电堆以10ma/cm2的电流密度进行放电降电压至0.12v，电堆快速降温到20℃，保持1h；
50.(3)重启电堆在温度为82℃，湿度为93％的条件下，分别在0.1a/cm2、0.5a/cm2、0.9a/cm2、1.1a/cm2、1.5a/cm2、1.8a/cm2停留3min，然后进行快速降载，在40min的时间内进行二轮连续强制放电变载活化。
51.由实施例1和实施例3对比可以看出，停机保温的温度过低，达不到增强mea润湿的效果。低温下热运动降低，水在mea中的扩散效果大大降低，导致在停机1h的时间水润湿mea的效果减小。
52.实施例4
53.本实施例提供了一种燃料电池的活化方法，所述活化方法包括以下步骤：
54.(1)将燃料电池堆在温度为80℃，湿度为95％的条件下，分别在0.1a/cm2、0.5a/cm2、0.9a/cm2、1.1a/cm2、1.5a/cm2、1.8a/cm2停留3min，然后进行快速降载，在1h的时间内进行三轮连续强制放电变载活化(一步连续循环强制变电流活化)；
55.(2)在一步连续循环强制变电流活化后，停止供气，对所述燃料电池电堆以10ma/cm2的电流密度进行放电降电压至0.12v，电堆快速降温到35℃，保持1h；
56.(3)重启电堆在温度为82℃，湿度为93％的条件下，分别在0.1a/cm2、0.5a/cm2、0.9a/cm2、1.1a/cm2、1.5a/cm2、1.8a/cm2停留3min，然后进行快速降载，在40min的时间内进行二轮连续强制放电变载活化。
57.由实施例1和实施例4对比可以看出，停机保温的温度过高，致使电堆mea水汽蒸发过快，无法形成水气动态平衡，mea逐渐趋于干燥状态，致使电堆再次运行过程中部分催化剂不能充分水合，导致性能下降。
58.对比例1
59.本对比例提供了一种常规的燃料电池的活化方法，所述活化方法包括以下步骤：
60.(1)开启电池，电堆温度设置为70℃，两侧加湿温度设置为60℃；
61.(2)开启电池，电池温度设置为60℃，两侧加湿温度设置为70℃；
62.(3)开启电池，单元温度设置为70℃，两侧加湿温度设置为60℃。
63.步骤2和步骤3与步骤1类似，只是电堆温度和加湿温度不同。
64.一个测试回合由几个加载i-v循环组成。加载过程压力均为自然流阻所才产生压力。
65.在每个极化曲线中加载电流密度达到1.5a/cm2时恒流放电30min，然后进行降载操作，降载到0.1a/cm2时进行新一轮极化过程。在电堆加载过程性能前后两轮对比每一加载电压较前一轮均有下降或在近三轮活化加载过程中每一加载电密下电压值不变时结束活化过程。
66.实施例1和对比例1所述活化方法得到的燃料电池的活化性能对比图如图1所示，其中，v1为本技术实施例1进行电堆活化后极化曲线，v2为对比例1进行电堆活化后极化曲线，由图1可以看出，与一般强制变载放电方法相比较，本发明所述活化方法将氢气通气时间缩短至原始时间的三分之一，节省了氢气的使用量，活化时间缩短至3h。
67.对比例2
68.本对比例与实施例1区别仅在于，活化的湿度为80％，其他条件与参数与实施例1
完全相同。
69.由实施例1和对比例2对比可以看出，本发明所述活化方法的活化湿度需控制在90％以上，若湿度过低，在加载放电过程中电堆催化剂不能进行充分水合，催化剂活性得不到充分释放，电堆性能在放电过程中不能充分发挥出来。
70.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。