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CN110649291B - 质子交换膜燃料电池快速活化方法 - Google Patents

质子交换膜燃料电池快速活化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，将新制备的CCM膜进行等离子表面处理，之后将其制成质子交换膜燃料电池，按以下步骤进行活化：(a)将电池工作温度逐步升高并逐步分段强制提高输出电流，直至电池工作温度达到70～80℃且输出电压降至0.4～0.5V；(b)将电池工作温度固定在70～80℃，并逐步分段强制提高输出电流，直至输出电压降至0.4～0.5V，循环1～4次；(c)将电池工作温度固定在70～80℃，先按50～200mA/cm2的较小输出电流，再按800～1200mA/cm2的较大输出电流，循环2～8次。本发明方法工艺简单，可缩短电池活化时间，提高生产效率。

Description

质子交换膜燃料电池快速活化方法
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池快速活化方法。
背景技术
燃料电池是一种高效清洁的新能源利用技术。新制成的电池需活化后才能正常使用，活化可以使MEA(质子交换膜燃料电池)中的催化剂活性提高，加快阴阳极两侧的反应速度，常规燃料电池活化通常需要4小时以上，时间长且效果不佳。而燃料电池活化的目的主要包括：①对新制得的CCM表面进行结构优化，改善CCM润湿性，优化水况；②通过电池放电使电极与扩散层进行水合，降低膜电极的内阻尤其是欧姆内阻；③活化过程也是气体、质子、电子、水的通道的建立过程，电池通过活化后使CCM、碳纸等不断发生微观结构的变化，形成连续的三维网络；④去除电池制造过程中可能引入的杂质。因此，如何对电池进行活化处理，在达到活化目的的同时，可缩短活化时间，提高生产效率，就成为当前的一个研究课题。
发明内容
本发明旨在提供一种工艺简单、可缩短电池活化时间、提高生产效率的质子交换膜燃料电池快速活化方法。
本发明通过以下方案实现：
一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，将新制备的CCM膜(Catalyst CoatedMembrane，催化剂喷涂到质子交换膜上后形成的膜产品)进行等离子表面处理，之后将处理后的CCM膜制成质子交换膜燃料电池，将质子交换膜燃料电池按以下步骤进行活化：
(a)将电池工作温度逐步升高并逐步分段强制提高输出电流，直至电池工作温度达到70～80℃且输出电压降至0.4～0.5V，各输出电流的持续时间为10～20min；电池工作温度的初始值一般设置在40～45℃，输出电流的初始值一般设置为50～100mA/cm2；
(b)将电池工作温度固定在70～80℃，并逐步分段强制提高输出电流，直至输出电压降至0.4～0.5V，各输出电流的持续时间为10～20min，循环1～4次；输出电流的初始值一般设置为200～400mA/cm2；
(c)将电池工作温度固定在70～80℃，先按50～200mA/cm2的较小输出电流，再按800～1200mA/cm2的较大输出电流，各输出电流的持续时间为1～5min，循环2～8次。
进一步地，所述步骤(a)中，输出电流每次提高的幅度为50～500mA/cm2。
进一步地，所述步骤(b)中，输出电流每次提高的幅度为400～650mA/cm2。
进一步地，所述新制备的CCM膜进行的等离子表面处理的时间控制为1～5min。本发明的等离子表面处理工艺为将新制备的CCM膜置于等离子处理装置中按现有技术的等离子表面处理工艺进行。
本发明的质子交换膜燃料电池快速活化方法，具有以下优点：
(1)通过对对新制备的CCM膜进行等离子表面处理，使得CCM膜表层的催化剂层粗糙度增加，比表面积增大，增大了反应物与催化剂的接触面积，同时经处理后的催化剂表层亲水性增强，有利于CCM膜润湿并加速后期MEA活化；
(2)经步骤(c)的低电流、高电流循环放电若干次后，利用低电流高电压使杂质有机物降解挥发，再利用高电流将有机物冲走，可有效去除各类杂质，使电池充分发挥活性，活化充分，达到最佳工作状态；
(3)工艺简单，可高效快速地对电池进行活化，缩短电池活化时间，提高生产效率，节约了活化成本，采用本发明质子交换膜燃料电池快速活化方法活化的电池可快速达到最佳的工作状态和性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1
一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，将5×5cm2新制备的CCM膜置于等离子处理装置中按现有技术的等离子表面处理工艺进行处理，等离子处理装置中充入氩气，氩气充入流量为15ml/s，等离子处理装置的功率为100W、真空度为50Pa、温度为40℃，等离子表面处理时间为2min；之后将处理后的CCM膜按现有工艺制成质子交换膜燃料电池，将质子交换膜燃料电池连接至电池测试仪，按以下步骤进行活化：
(a)先将电池工作温度设置为45℃，加湿，反应气供给采用计量比模式，按氢气：1.5，空气：2.5，输出电流的初始值设置为2.5A，将电池工作温度逐步升高并逐步分段强制提高输出电流，输出电流每次提高的幅度为100～200mA/cm2，直至电池工作温度达到75℃且输出电压降至0.4～0.5V，各输出电流的持续时间为10min，具体工步按表1所示：
表1
Figure GDA0003655583650000031
(b)将电池工作温度固定在75℃，输出电流的初始值设置为10A，并逐步分段强制提高输出电流，输出电流每次提高的幅度为400mA/cm2，直至输出电压降至0.4～0.5V，各输出电流的持续时间为10min，循环2次，具体工步按表2所示：
表2
Figure GDA0003655583650000041
(c)将电池工作温度固定在75℃，先按200mA/cm2的较小输出电流，再按1200mA/cm2的较大输出电流，各输出电流的持续时间为1min，循环4次，具体工步按表3所示：
表3
Figure GDA0003655583650000042
按实施例1方法，质子交换膜燃料电池的活化时间仅需158，可比现有燃料电池的活化时间缩短约34％。
实施例2
一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，将4×4cm2新制备的CCM膜置于等离子处理装置中按现有技术的等离子表面处理工艺进行处理，等离子处理装置中充入氩气，氩气充入流量为10ml/s，等离子处理装置的功率为100W、真空度为50Pa、温度为40℃，等离子表面处理时间为5min；之后将处理后的CCM膜按现有工艺制成质子交换膜燃料电池，将质子交换膜燃料电池连接至电池测试仪，按以下步骤进行活化：
(a)先将电池工作温度设置为40℃，加湿，反应气供给采用固定值模式，氢气为500mL/min，空气为1500mL/min，输出电流的初始值设置为1A，将电池工作温度逐步升高并逐步分段强制提高输出电流，输出电流每次提高的幅度为180～250mA/cm2，直至电池工作温度达到70℃且输出电压降至0.4～0.5V，各输出电流的持续时间为10min，具体工步按表4所示：
表4
Figure GDA0003655583650000051
(b)将电池工作温度固定在70℃，输出电流的初始值设置为5A，并逐步分段强制提高输出电流，输出电流每次提高的幅度为625mA/cm2，直至输出电压降至0.4～0.5V，各输出电流的持续时间为10min，循环2次，具体工步按表5所示：
表5
Figure GDA0003655583650000052
(c)将电池工作温度固定在70℃，先按100mA/cm2的较小输出电流，再按1000mA/cm2的较大输出电流，各输出电流的持续时间为2min，循环6次，具体工步按表6所示：
表6
Figure GDA0003655583650000061
按实施例2方法，质子交换膜燃料电池的活化时间仅需142分钟，可比现有燃料电池的活化时间缩短约40％。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：将新制备的CCM膜进行等离子表面处理，之后将处理后的CCM膜制成质子交换膜燃料电池，将质子交换膜燃料电池按以下步骤进行活化：
(a)将电池工作温度逐步升高并逐步分段强制提高输出电流，直至电池工作温度达到70～80℃且输出电压降至0.4～0.5V，各输出电流的持续时间为10～20min；
(b)将电池工作温度固定在70～80℃，并逐步分段强制提高输出电流，直至输出电压降至0.4～0.5V，各输出电流的持续时间为10～20min，循环1～4次；
(c)将电池工作温度固定在70～80℃，先按50～200mA/cm2的较小输出电流，再按800～1200mA/cm2的较大输出电流，各输出电流的持续时间为1～5min，循环2～8次。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：所述步骤(a)中，输出电流每次提高的幅度为50～500mA/cm2。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：所述步骤(b)中，输出电流每次提高的幅度为400～650mA/cm2。
4.如权利要求1～3任一所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：所述新制备的CCM膜进行的等离子表面处理的时间控制为1～5min。
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