一种燃料电池电堆活化的方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池电堆活化的方法。所述方法包括如下步骤：(1)对燃料电池两极进行一次预湿活化和二次预湿活化，然后加载第一电流密度至膜电极激活电压V0；所述一次预湿活化和二次预湿活化之间还包括在电极两侧反应生成水的过程；(2)将步骤(1)得到的燃料电池在第二电流密度下活化，然后以第三电流密度将单节电池电压调整至V1，所述第三电流密度

A method of activation of fuel cell stack

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池电堆活化的方法
本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池电堆活化的方法。
技术介绍
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池不受卡诺循环的限制，可以高效地将化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池由于具有低温启动，结构简单、操作简便等特点，是最有希望应用于中长距离电动汽车的动力来源。为使质子交换膜燃料电池工作时能快速达到最佳性能，一般燃料电池电堆在完成组装之后，需要提前在给定条件下对燃料电池电堆中的电极进行活化处理。质子交换膜燃料电池电堆活化过程和机理非常复杂，电堆的电极同时包括以下六种过程的进行：质子交换膜的加湿过程，电子传输通道的建立过程，质子传输通道的建立过程，气体传输通道的建立过程，水传输通道的建立过程，电极结构的优化过程。目前为止，完成车用质子交换膜燃料电池电堆的活化需要较长的时间，一般为12～48小时。常用的燃料电池电堆活化方法主要有以下三种工艺：1、恒流自然活化；2、恒流强制活化；3、变流强制活化。目前恒流自然活化和强制恒流活化所采用的电流密度、电池温度和气体压力较低，所用的活化时间也较长，活化时间长达24～48小时。即使经改进的变流强制活化可将电堆的活化时间缩短至5～12小时，但目前的电堆活化时间仍不能满足电堆批量化生产的需求。CN105895938B公开了一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，步骤为：将初装完成的电池堆安装在活化台上，检测气密性；在电池堆的阴极和阳极均通入N2，吹扫；设定工作温度；阴极通入RH80％增湿的空气，阳极通入不增湿的H2，常排，气体压力为60～100KPa；利用负载对电池堆加载电流，空气和H2的化学计量比分别是3.5和1.5；将空气和H的化学计量比分别设定成3.0和1.5，在最高电流下持续运行30min；快速降低电流至0A，断开电路，通入冷却水冷却电池堆，将电池堆冷却到室温，然后对初装的电池堆进行二次紧固，使电池堆的压缩量达到设定的技术指标。所述活化方法不能充分完成活化过程，且在验证电堆否完成活化需要进行高温-室温之间的温度切换，数百节单池的电堆温度调节比较缓慢，一旦性能不达标需要重新活化，调整温度需要耗费大量时间，在电堆实际使用过程中电堆性能会持续增长，甚至超出电堆配套系统的设计范围，给系统的配套匹配设计带来困扰。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。所述活化过程时间较长，无法满足批量化生产的需求。因此，本领域亟需一种新型燃料电池电堆活化的方法，充分完成活化的活化过程时间可以控制在2h以内，满足批量化生产的需求，且活化得到的燃料电池具有良好的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种燃料电池电堆活化的方法，在活化过程中不需要涉及到温度的切换，充分完成活化的时间可以控制在2h以内，满足批量化生产的需求，且活化得到的燃料电池具有良好的电化学性能。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的目的之一在于提供一种燃料电池电堆活化的方法，所述方法包括如下步骤：(1)对燃料电池两极进行一次预湿活化和二次预湿活化，然后加载第一电流密度至膜电极激活电压V0；所述一次预湿活化和二次预湿活化之间还包括在电极两侧反应生成水的过程；(2)将步骤(1)得到的燃料电池在第二电流密度下活化，然后以第三电流密度将单节电池电压调整至V1，所述第三电流密度<第二电流密度；(3)将步骤(2)得到的燃料电池在第四电流密度下运行，测试单节电池电压在时间T内的变化△V。本专利技术首先通过电堆的一次预湿活化和二次预湿活化过程使电极表面快速形成短时间高电位，进而消除电极表面的不稳定催化剂和氧化电极表面杂质，实现膜电极的快速激活；然后通过变电流的加湿活化过程，高电流密度下运行，可使反应生成的水迅速增湿膜电极，实现质子交换膜、催化层树脂的快速增湿；通过控制电堆在高、低电流密度的交差运行，可使电极快速形成稳定的气体、电子传输通道，本专利技术通过测试在时间T内的变化△V判断电堆是否完成活化，实现燃料电池电堆的加速活化。本专利技术所述一次预湿活化和二次预湿活化之间在电极两侧反应生成水，可以短时间内升温并湿润催化层表面及内部，最大程度上缩短活化时间。本专利技术活化过程简单，活化时间可以控制在2h以内，最小可达1.5h，满足批量化生产的需求，且活化得到的燃料电池具有良好的电化学性能。优选地，步骤(1)之前还包括对燃料电池进行预处理的过程。优选地，所述预处理过程包括：向所述燃料电池的燃料电极供应燃料，空气电极供应空气，并调整单节电池的开路电压V4为0.95～1.2V，持续2～8min，所述V4为0.95～1.2V，例如0.98V、1V、1.02V、1.05V、1.08V、1.1V、1.12V、1.15V、1.16V或1.18V等；所述2～8min例如3min、4min、5min、6min或7min等。优选地，步骤(1)所述一次预湿活化的过程包括：向燃料电池两极通入加湿氮气，氮气吹扫电堆，直至单节电池电压V2≤0.5V，例如0.28V、0.3V、0.32V、0.35V、0.38V、0.40V、0.42V、0.45V、0.48V或0.49V等。优选地，所述V2为0.3～0.5V，优选为0.4～0.5V，例如0.3V、0.32V、0.35V、0.38V、0.40V、0.42V、0.45V、0.48V或0.49V等。在本专利技术中，若V2过大，则电堆燃料电极侧的燃料留存过多，会在第二步活化中损坏电极；若V2过小，电堆燃料电极侧不能留存有足够的燃料进行下一步活化操作。优选地，所述一次预湿活化的时间为8～15min，例如9min、10min、11min、12min、13min或14min等。优选地，步骤(1)所述在电极两侧反应生成水的过程包括：停止一次预湿活化之后两侧电极的氮气供应，向燃料电极侧通入空气，空气电极侧通入氢气，持续8～15min。所述时间例如9min、10min、11min、12min、13min或14min等。本专利技术在停止通燃料后，向燃料电极侧通入空气，空气电极侧通入氢气，氢氧混合气在电极两侧反应生成的水，可以短时间内升温并湿润催化层表面及内部，最大程度上缩短活化时间。优选地，所述燃料包括氢气。优选地，步骤(1)所述二次预湿活化的过程包括：向燃料电池两极通入加湿氮气，氮气吹扫电堆，直至单节电池电压V3≤0.5V，例如0.28V、0.3V、0.32V、0.35V、0.38V、0.40V、0.42V、0.45V、0.48V或0.49V等。优选地，所述V3为0.3～0.5V，优选为0.4～0.5V，例如0.32V、0.35V、0.38V、0.40V、0.42V、0.45V、0.48V或0.49V等。在本专利技术中，所述V3过小，则会导致本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池电堆活化的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)对燃料电池两极进行一次预湿活化和二次预湿活化，然后加载第一电流密度至膜电极激活电压V0；所述一次预湿活化和二次预湿活化之间还包括在电极两侧反应生成水的过程；(2)将步骤(1)得到的燃料电池在第二电流密度下活化，然后以第三电流密度将单节电池电压调整至V1，所述第三电流密度<第二电流密度；(3)将步骤(2)得到的燃料电池在第四电流密度下运行，测试单节电池电压在时间T内的变化△V。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池电堆活化的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)对燃料电池两极进行一次预湿活化和二次预湿活化，然后加载第一电流密度至膜电极激活电压V0；所述一次预湿活化和二次预湿活化之间还包括在电极两侧反应生成水的过程；(2)将步骤(1)得到的燃料电池在第二电流密度下活化，然后以第三电流密度将单节电池电压调整至V1，所述第三电流密度<第二电流密度；(3)将步骤(2)得到的燃料电池在第四电流密度下运行，测试单节电池电压在时间T内的变化△V。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)之前还包括对燃料电池进行预处理的过程；优选地，所述预处理过程包括：向所述燃料电池的燃料电极供应燃料，空气电极供应空气，并调整单节电池的开路电压V4为0.95～1.2V，持续2～8min。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述一次预湿活化的过程包括：向燃料电池两极通入加湿氮气，氮气吹扫电堆，直至单节电池电压V2≤0.5V；优选地，所述V2为0.3～0.5V，优选为0.4～0.5V；优选地，所述一次预湿活化的时间为8～15min。4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述在电极两侧反应生成水的过程包括：停止一次预湿活化之后两侧电极的氮气供应，向燃料电极侧通入空气，空气电极侧通入氢气，持续8～15min；优选地，所述燃料包括氢气。5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述二次预湿活化的过程包括：向燃料电池两极通入加湿氮气，氮气吹扫电堆，直至单节电池电压V3≤0.5V；优选地，所述V3为0.3～0.5V，优选为0.4～0.5V；优选地，所述二预湿活化的时间为8～15min。6.如权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述二次预湿活化之后，加载第一电流密度之前，还包括停止二次预湿活化之后两侧电极的氮气供应，然后向空气电极侧通入空气，燃料电极侧通入燃料的过程；优选地，步骤(1)所述第一电流密度≥1A/cm2，优选为1～1.5A/cm2；优选地，步骤(1)所述膜电极激活电压V0为单节电池的电压，优选为0.6～0.65V；优选地，步骤(1)所述V0的保持时间≥20min，优选为25～35min。7.如权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述第二电流密度为1～1.5A/cm2，优选为1.1～1.3A/cm2；优选地，所述第二电流密度下活化的时间为8～15min；优选地，所述第二电流密度下活化之后，还包括停止燃料电池两侧电极的燃料和空气供应的过程；优选地，所述第三电流密度为0.05～0.15A/cm2，优选为0.08～0.12A/cm2；优选地，所述V1≥0.7V，优选为0.7～...

【专利技术属性】
技术研发人员：付宇，迟军，
申请(专利权)人：上海骥翀氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31