一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法技术

本发明专利技术公开一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法，步骤包括：电堆的气密性检查；升温电堆，阳极阴极通入氮气吹扫；阳极通入氢气，阴极通入氮气，阳极气压大于阴极气压；阴极的氮气切换成空气；进行欠氧活化，快速还原氧化铂；进行脉冲电流循环活化，记录极化曲线1；重复欠氧活化和循环伏安脉冲活化，获取多条极化曲线，判断新的极化曲线与上一条极化曲线之间的电压偏差是否小于10mV，完成电堆的活化。本发明专利技术快速对催化剂表面氧化物进行还原，提高催化剂的活性，提升催化剂的利用率，充分润湿质子交换膜，打通离子通道。打通离子通道。打通离子通道。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法。

技术介绍

[0002]随着应对气候变化压力增大、能源低碳转型加速，氢能源以其清洁、高效和应用场景丰富的优势备受世界瞩目。氢能源是实现碳中和战略的关键能源，当前已有多个国家制定了氢能源发展路线图。欧美等国家和地区通过战略引领、路线规划、产业支持政策以及持续投资，在氢能源产业发展上取得了实质性进展。我国已将氢能源产业作为战略性新兴产业，从鼓励创新与投资、奖励与优惠等多方面颁布了多个支持政策，各级地方政府与企业积极开展产业布局和项目建设。其中氢燃料电池车是一种使用氢气作为能源的车辆，很好的代替内燃机汽车。
[0003]其中质子交换膜燃料电池是燃料电池车的核心部件，它是一种直接将氢气的化学能经反应后直接转化成电能、热能和水的电化学装置。其特点是零污染，排放为水；能源利用率高。只要有足够的燃料气体氢气和氧气，就可以长时间连续运行。
[0004]在燃料电池对组装完成后，并不能直接使用，燃料电池堆的初始活性在电化学反应中较低。因此，有必要对电堆进行激活以达到最大化初始性能。这种电堆活化过程也称为“预处理”或“磨合”，它是通过水充分润湿质子交换膜，确保氢离子通道；去除聚合物电解质膜或电极中的杂质以提高离子电导率；还原氧化铂，提高催化活性；建立一个良好的三相反应界面，使燃料电池电堆发挥出最佳工作状态和性能。
[0005]目前，燃料电池电堆快速活化的方式一般都是通过通入加湿氮气预活化，然后使燃料电池电堆长时间处于大电流下来实现。但这种方式存在不足：这种活化方式需要的时间较长依旧较长，消耗的氢气量较大，影响后期燃料电池堆大批量生产。因此，需要一种活化工艺，可以加快燃料电池堆的活化时间，同时减少活化所使用的氢气量，为燃料电池汽车的量产做准备。
[0006]中国专利CN202010884289.3公开了一种质子交换膜燃料电池活化方法及装置，所述方法包括：在每次对质子交换膜燃料电池进行活化前，对质子交换膜燃料电池进行极化测试，得到质子交换膜燃料电池的最大电流密度；将质子交换膜燃料电池的最大电流密度设置为活化脉冲电流的电流峰值，并设置活化脉冲电流的脉冲周期和电流峰值的占空比；根据该活化脉冲电流对质子交换膜燃料电池进行活化处理，该专利能够提高质子交换膜燃料电池的活化速度，降低活化时间，但该专利缺点为：采用电流活化方式，每次脉冲循环时需要测试出极限电流，增加了活化时间。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法，通过利用不同的活化手段，针对膜电极活化的关键位置，进行针
对性活化，加入欠氧活化，快速还原氧化铂；脉冲电流活化，不断打破膜之间的水平衡，使水分锁在膜上，通过对质子交换膜前期润湿，建立良好的离子通道，加快活化电堆，和对催化剂表面的氧化物进行还原，从而提高催化剂的活性，提升催化剂的利用率，并极大缩短了燃料电池电堆活化的时间，减少氢气使用量，节约成本。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009]一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法，具体步骤如下：
[0010]步骤N1、将质子交换膜燃料电池置于测试平台上，连接气体管路，检查电堆气密性；
[0011]步骤N2、设置燃料电池温度为温度1，阴极通入加湿氮气，阳极通入加湿氢气，此时阴阳极的湿度分别为湿度1和湿度2，阴极流量为流量1，阳极流量为流量2，阴阳极背压分别为压力1和压力2；
[0012]步骤N3、电堆温度达到温度1，电堆温度维持温度1时间T1后，电堆预活化过程结束，设置电堆温度为温度2；
[0013]步骤N4、电堆温度达到电堆温度2，稳定后，阴极停止通入氮气，阴阳极流量控制为计量比模式，通入加湿空气，阴极最小流量为流量3，计量比为计量比1，湿度为湿度3，阳极最小流量为流量4，计量比为计量比2，湿度为湿度4，阴阳极背压分别为压力3和压力4；
[0014]步骤N5、欠氧活化：对电堆进行加载，加载到电压1，然后阴极停止通入空气，电堆电压下降到电压2，重新通入空气，断开负载，电压恢复到OCV，重复此步骤K1次；
[0015]步骤N6、脉冲电流循环进行活化：
[0016]N6.1、电堆由OCV加载电压3，
[0017]N6.2、迅速加载到电压4，
[0018]N6.3、然后回到电压3，
[0019]重复步骤N6.2和N6.3K2次，然后电堆加载到电压4，稳定运行时间T2，用线性扫描法得到极化曲线1，所述极化曲线1的横坐标为电流密度，纵坐标为平均电压；
[0020]步骤N7、重复步骤N5和N6，得到极化曲线2，所述极化曲线2的横坐标为电流密度，纵坐标为平均电压，判断在0.55V～0.75V电压范围内且在同一电流下，极化曲线2与极化曲线1之间的电压偏差是否小于10mV，若是，则判断电堆的已完成活化；若极化曲线2与极化曲线1之间的电压偏差大于或等于10mV，则重复步骤N7，直至新的极化曲线与上一条极化曲线之间的电压偏差小于10mV，完成电堆的活化。
[0021]进一步地，所述步骤N1前还包括步骤N0、检测电堆的气密性是否符合气密性指标，若符合气密性指标则进入步骤N1，若不符合气密性指标则重新装配电堆,直至电堆的气密性符合气密性指标为止。
[0022]进一步地，步骤N2中，所述流量1的计算公式为：0.00696*有效面积*电流密度*单片电池数量*计量比；
[0023]所述流量2的计算公式为：0.01657*有效面积*电流密度*单片电池数量*计量比，
[0024]其中，所述电堆包括若干片单片电池，所述有效面积为单片电池面积，计量比的取值范围为1～3，电流密度为电堆外接装置的输入值。
[0025]进一步地，步骤N2中，所述压力1和压力2为常压，其中，压力1、2均为表压。
[0026]进一步地，步骤N2中，所述电堆温度1为60℃。
[0027]进一步地，步骤N2中，所述湿度1＝湿度2＝相对湿度值为100％。
[0028]进一步地，步骤N3中，所述电堆温度达到温度1的具体设置方式为：预先对冷却液加热到温度1且维持在温度1，将第一温度值下的冷却液通入电堆进行升温处理。
[0029]进一步地，步骤N3中，所述T1为1
‑
5min。
[0030]进一步地，步骤N3中，所述电堆温度2为70℃。
[0031]进一步地，步骤N4中，所述流量3的计算公式为：0.00696*有效面积*电流密度*单片电池数量*计量比；
[0032]所述流量4的计算公式为：0.01657*有效面积*电流密度*单片电池数量*计量比，
[0033]其中，所述电堆包括若干片单片电池，所述有效面积为单片电池面积，计量比的取值范围为1～3，电流密度为电堆外接装置的输入值。
[0034]进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤N1、将质子交换膜燃料电池置于测试平台上，连接气体管路，检查电堆气密性；步骤N2、设置燃料电池温度为温度1，阴极通入加湿氮气，阳极通入加湿氢气，此时阴阳极的湿度分别为湿度1和湿度2，阴极流量为流量1，阳极流量为流量2，阴阳极背压分别为压力1和压力2；步骤N3、电堆温度达到温度1，电堆温度维持温度1时间T1后，电堆预活化过程结束，设置电堆温度为温度2；步骤N4、电堆温度达到电堆温度2，稳定后，阴极停止通入氮气，阴阳极流量控制为计量比模式，通入加湿空气，阴极最小流量为流量3，计量比为计量比1，湿度为湿度3，阳极最小流量为流量4，计量比为计量比2，湿度为湿度4，阴阳极背压分别为压力3和压力4；步骤N5、欠氧活化：对电堆进行加载，加载到电压1，然后阴极停止通入空气，电堆电压下降到电压2，重新通入空气，断开负载，电压恢复到OCV，重复此步骤K1次；步骤N6、脉冲电流循环进行活化：N6.1、电堆由OCV加载电压3，N6.2、迅速加载到电压4，N6.3、然后回到电压3，重复步骤N6.2和N6.3 K2次，然后电堆加载到电压4，稳定运行时间T2，用线性扫描法得到极化曲线1，所述极化曲线1的横坐标为电流密度，纵坐标为平均电压；步骤N7、重复步骤N5和N6，得到极化曲线2，所述极化曲线2的横坐标为电流密度，纵坐标为平均电压，判断在0.55V～0.75V电压范围内且在同一电流下，极化曲线2与极化曲线1之间的电压偏差是否小于10mV，若是，则判断电堆的已完成活化；若极化曲线2与极化曲线1之间的电压偏差大于或等于10mV，则重复步骤N7，直至新的极化曲线与上一条极化曲线之间的电压偏差小于10mV，完成电堆的活化。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法，其特征在于，所述步骤N1前还包括步骤N0、检测电堆的气密性是否符合气密性指标，若符合气密性指标则进入步骤N1，若不符合气密性指标则重新装配电堆,直至电堆的气密性符合气密性指标为止。3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池堆的快速活化方法，其特征在于，步骤N2中，所述流量1的计算公式为：0.00696*有效面积*电流密度*单片电池数量*计量比；所述流量2的计算公式为：0.01657*有效面积*电流密度*单片电池数量*计量比，其中，所述电堆包括若干片单片...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶玮财，刘赞，赵龙飞，
申请(专利权)人：上海纳尔终能氢电有限公司，
类型：发明
国别省市：