一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法技术

本发明专利技术提供一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法，具体包括以下步骤：步骤1：向电堆的冷却液腔循环通入冷却液；向电堆阴极和阳极通入增湿的氮气；再分别通入增湿的氢气和氮气，然后停止进气和冷却液循环；步骤2：向冷却液腔循环通入冷却液，向电堆的阴极和阳极通入增湿的氢气和氮气，同时将电堆与外接恒流恒压电源相连，调节外接恒流恒压电源为恒压模式，对电堆进行电位循环扫描；步骤3：调节外接恒流恒压电源为恒流模式，对电堆进行电流循环扫描；步骤4：重复步骤2至步骤3一至两次，预处理活化完成；步骤5：进行一至两次电堆在线恒流活化。本发明专利技术解决了现有燃料电池电堆预处理活化工艺过程复杂不适于大面积大功率密度的电堆等问题。堆等问题。堆等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池活化
，具体而言，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其副产品为水，运行温度低、启动快且能量转换效率高等优点在减少化石燃料能源需求和污染物排放方面具有很大潜力，在便携式电子设备、电动汽车电源以及电信系统的备用电源等领域均有广泛的应用。质子交换膜燃料电池的性能在很大程度上取决于膜电极组件(MEA)的性能。影响MEA性能的一些参数包括催化剂利用率、MEA制造技术和操作条件等。MEA一般由质子交换膜和两个气体扩散电极(GDE)组成，用于发生电化学反应的阳极和阴极侧。制造后，MEA需要进行活化，以达到其最佳和稳定的性能。活化过程中性能的提高与质子交换膜的水合作用和可用于促进电化学反应的催化剂活性面积有关。因此，不同类型的MEA需要的活化时间不同，可能需要数小时甚至数天。按照PEMFC的放电状态可将活化工艺分为：预处理活化(未放电前)，在线活化(刚开始放电)和恢复性活化(放电一段时间后)等3种。目前，燃料电池电堆的在线活化工艺研究是最多的且应用最广的，但要想进一步缩短活化过程的时间和成本，提高电堆在线活化的效率，对电堆进行预处理活化也是一种重要的方向和途径。
[0003]例如，使用析氢方法进行活化，在这个过程中，当阴极入口关闭时，纯氢从阳极侧进料，然后使用外部电源充电，使H+离子被迫通过质子交换膜到达阴极侧，再被还原成氢气。使用这种方法，可以使催化剂层的结构发生变化，即孔隙率和弯曲度，有效提高电池性能。有人提出通过水煮或蒸汽熏电极的方式来提高电池的性能。在MEA装堆前，进行水煮或水蒸，可以提高催化层中全氟磺酸(Nafion)膜的水合作用以及催化剂层中质子的电导性，提高Pt的利用率，从而提高电极的性能。韩国现代提到一种活化技术，将含有水滴的湿化氢气与空气分别注入PEMFC阴极与阳极腔体中，封存一段时间来活化电池。Pt表面上的氧化物(PtOH,PtOx等)被还原(表面氧化状态改变，Tafel常数降低)，可以实现活化。由于存储过程中氢和氧的串漏而在PEMFC中生成真空，所以水滴容易渗透到膜和粘结剂中，由此提高润湿性，达到活化过程的加湿。还有人研究了用不同浓度的硫酸处理PEM，提高PEMFC性能的活化工艺。研究认为，提高酸的浓度，可以提高PEM中的质子数，降低传导电阻，提高PEMFC的性能。此外，还有CO吸附氧化法，添加KMnO4，使用活化程序来解决阳极Pt催化剂CO中毒，恢复Pt的电化学表面积等。总体来说，预处理活化主要以提升Pt的利用率和润湿质子交换膜来提高PEMFC的性能。且普遍都认为高温、高压的操作条件有利于加快燃料电池电堆的活化过程。与仅使用一种活化方法相比，以合理的顺序组合两种或多种方法可以进一步提升PEMFC的性能。同样，与一步传统方法相比，多步活化方法可以更快的提高电堆的电流密度，因为每个步骤中采用多种不同的操作温度和停止后的冷却技术可以使Nafion膜充分吸收电池中的液态水，从而降低活化过电位和欧姆过电位。

技术实现思路

[0004]根据上述提出现有燃料电池电堆预处理活化工艺过程复杂不适于大面积大功率密度的电堆，可实施性差且活化效果欠佳等技术问题，而提供一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法。本专利技术可以在电堆未放电前实现电堆MEA质子交换膜的快速润湿和阴极催化层活性面积的提升，再结合简单的变电流在线活化方法，将电堆的在线活化时间缩短到30min左右，及经过电堆的预处理活化后，只需更简单、时间更短的在线活化即可使电堆性能达到最佳和稳定，进一步提升了电堆的活化效率，降低活化成本。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法，具体包括以下步骤：
[0007]步骤1：向气密性检测达标的电堆的冷却液腔循环通入冷却液；向电堆阴极和阳极持续通入增湿的氮气，通气时间为T1；再分别向电堆的阴极和阳极通入一定压力的增湿的氢气和氮气，通气时间为T2，然后停止进气和冷却液循环，静置一段时间T3；
[0008]步骤2：继续向冷却液腔循环通入冷却液，分别向电堆的阴极和阳极通入一定压力的增湿的氢气和氮气，同时将电堆的阴极与外接恒流恒压电源的正极相连，将电堆的阳极与外接恒流恒压电源的负极相连，调节外接恒流恒压电源为恒压模式，对电堆施加电压，调节外接恒流恒压电源的电压对电堆进行一定范围内的从低到高，再从高到低的电位循环扫描，控制电堆单节电压不超过1.2V，循环扫描时间为T4；
[0009]步骤3：调节外接恒流恒压电源为恒流模式，对电堆施加电流，调节外接恒流恒压电源的电流对电堆进行一定范围内的从低到高，再从高到低的电流循环扫描，循环扫描时间为T5，然后停止进气和冷却液循环，静置一段时间T3；
[0010]步骤4：重复步骤2至步骤3一至两次，预处理活化完成；
[0011]步骤5：按电堆正常在线运行时的管、线路与燃料电池测试台连接，分别向电堆的阴极和阳极通入一定压力的空气和氢气，向电堆的冷却液腔循环通入冷却液，然后进行一至两次电堆在线恒流活化：
[0012]以一定的加载速率加载电堆至中电密，稳定运行时间T6，再运行至高电密，稳定运行时间T7，然后快速降载至0mA/cm2，停止进气和冷却液循环，完成一次活化；
[0013]进行两次在线恒流活化时，中间间隔一段时间。
[0014]进一步地，还包括步骤6：采用至少一种以下方法进行预处理活化效果的检验与判断：
[0015](1)在电堆经过预处理活化后、进行在线恒流活化前，对电堆进行一次极化曲线测试，选取关键电密点，每个点运行1min，同时监测电堆的高频阻抗值，通过对比经过预处理活化和未经过预处理活化的电堆的初始极化性能及高频阻抗值来判断预处理活化的效果，相同电密点的平均电压越高，预处理活化效果越好；
[0016](2)利用电化学工作站直接测试电堆不同工作电密点的交流阻抗值，通过对比经过预处理活化和未经过预处理活化的电堆的初始欧姆、活化及传质阻抗的大小来判断预处理活化的效果，相同电密点的欧姆、活化及传质阻抗值越低，预处理活化效果越好；
[0017](3)选择1～3节单电池进行循环伏安(CV)测试，通过对比经过预处理活化和未经过预处理活化的电堆的电堆催化层电化学活性面积大小来判断预处理活化的效果，相同测试电位区间及条件下，电化学活性面积越大，催化剂的活性位点越多，预处理活化效果越
好；
[0018](4)通过对比计算经过预处理活化和未经过预处理活化的电堆通过在线恒流活化达到相同性能所需要的时间和氢气总消耗量来判断预处理活化的效果，所需要的时间和氢气总消耗量越少说明预处理活化效果越好。
[0019]进一步地，所述冷却液为乙二醇或去离子水，所述冷却液的温度为50～80℃；向电堆通入的气体的压力为70～170kPa，其中向电堆的阴极通入的气体的压力比向电堆的阳极通入的气体的压力小10～20kPa；增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：向气密性检测达标的电堆的冷却液腔循环通入冷却液；向电堆阴极和阳极持续通入增湿的氮气，通气时间为T1；再分别向电堆的阴极和阳极通入一定压力的增湿的氢气和氮气，通气时间为T2，然后停止进气和冷却液循环，静置一段时间T3；步骤2：继续向冷却液腔循环通入冷却液，分别向电堆的阴极和阳极通入一定压力的增湿的氢气和氮气，同时将电堆的阴极与外接恒流恒压电源的正极相连，将电堆的阳极与外接恒流恒压电源的负极相连，调节外接恒流恒压电源为恒压模式，对电堆施加电压，调节外接恒流恒压电源的电压对电堆进行一定范围内的从低到高，再从高到低的电位循环扫描，控制电堆单节电压不超过1.2V，循环扫描时间为T4；步骤3：调节外接恒流恒压电源为恒流模式，对电堆施加电流，调节外接恒流恒压电源的电流对电堆进行一定范围内的从低到高，再从高到低的电流循环扫描，循环扫描时间为T5，然后停止进气和冷却液循环，静置一段时间T3；步骤4：重复步骤2至步骤3一至两次，预处理活化完成；步骤5：按电堆正常在线运行时的管、线路与燃料电池测试台连接，分别向电堆的阴极和阳极通入一定压力的空气和氢气，向电堆的冷却液腔循环通入冷却液，然后进行一至两次电堆在线恒流活化：以一定的加载速率加载电堆至中电密，稳定运行时间T6，再运行至高电密，稳定运行时间T7，然后快速降载至0mA/cm2，停止进气和冷却液循环，完成一次活化；进行两次在线恒流活化时，中间间隔一段时间。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法，其特征在于，还包括步骤6：采用至少一种以下方法进行预处理活化效果的检验与判断：(1)在电堆经过预处理活化后、进行在线恒流活化前，对电堆进行一次极化曲线测试，选取关键电密点，每个点运行1min，同时监测电堆的高频阻抗值，通过对比经过预处理活化和未经过预处理活化的电堆的初始极化性能及高频阻抗值来判断预处理活化的效果，相同电密点的平均电压越高，预处理活化效果越好；(2)利用电化学工作站直接测试电堆不同工作电密点的交流阻抗值，通过对比经过预处理活化和未经过预处理活化的电堆的初始欧姆、活化及传质阻抗的大小来判断预处理活化的效果，相同电密点的欧姆、活化及传质阻抗值越低，预处理活化效果越好；(3)选择1～3节单电池进行循环伏安(CV)测试，通过对比经过预处理活化和未经过预处理活化的电堆的电堆催化层电化学活性面积大小来判断预处理活化的效果，相同测试电位区间及条件下，电化学活性面积越大，催化剂的活性位点越多，预处理活化效果越好；(4)通过对比计算经过预处理活化和未经过预处理活化的电堆通过在线恒流活...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒清柱，孙昕，李光伟，李东明，高鲲，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：