CN113363535A - 一种质子交换膜燃料电池快速活化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，将燃料电池连接至燃料电池测试台并设定工作温度，分别向阴极和阳极通入氧化剂和氢气；达到工作温度后对燃料电池进行从低到高分段逐步上升电流密度直至电池电压大于最小电压，此后分段逐步降低电流密度直至电流密度为0，循环上述过程进行活化，各段输出电流持续时间为10s‑60s，当活化后连续两次极化曲线和功率密度曲线基本重合时活化完成。本发明活化方法简单易行，可明显缩短活化时间，对提高燃料电池活化效率及节能减排具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池快速活化方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换为电能的能量转换装置，因其具有能量转换效率高、清洁等优点被认为是未来车用动力的理想选择。PEMFC单电池由膜电极组件、双极板、集流体和端板组成，其中膜电极组件由质子交换膜、催化层和气体扩散层构成，是燃料电池的关键。当燃料电池初次组装完成后，由于质子交换膜和催化层内部缺水，造成质子传导受阻。因此，为了快速构建合理的质子、电子及气液相传导网络，发挥燃料电池最佳性能，需要对燃料电池进行活化操作。现有的活化方式通常采用在固定的电流密度下通过长时间恒电流放电进行活化，该活化方式所需时间较长；此外，长时间活化会消耗大量的燃料，浪费资源。因此，为了使膜电极及电堆在更短的时间内快速达到最佳状态，寻找一种燃料电池快速活化方式十分必要。
发明内容
本发明针对恒电流放电活化的方式时间长耗能大的技术问题，提出一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，能够使燃料电池在更短的时间内达到最佳状态。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，包括如下步骤：
a、对燃料电池进行气密检测和吹扫；
b、将燃料电池连接至燃料电池测试台并设定工作温度，分别向阴极和阳极通入氧化剂和氢气；达到工作温度后对燃料电池进行从低到高分段逐步上升电流密度直至电池电压大于最小电压，此后分段逐步降低电流密度直至电流密度为0，循环上述过程进行活化，各段输出电流持续时间为10s-60s；
c、重复步骤b，并实时记录其极化曲线及功率密度曲线，当活化后连续两次极化曲线和功率密度曲线基本重合时活化完成。
作为优选，步骤a中吹扫时间为20s-40s。
作为优选，步骤b中向阳极吹入的是纯氢气，化学计量比为1.5-1.8；氧化剂为纯氧气或空气，化学计量比为1.5-2.5，工作压力为0-0.18Mpa，相对湿度为50-100％。
作为优选，相对湿度为90-100％。
作为优选，步骤b中工作温度为50-90℃。
作为优选，步骤b中工作温度为70-80℃。
作为优选，所述每段输出电流变化速率范围为50mA/cm2-500mA/cm2，所述的最小电压值为0.15V-0.6V。
作为优选，所述每段输出电流变化速率范围为100mA/cm2-300mA/cm2，所述的最小电压值为0.40V-0.55V。
作为优选，各段输出电流持续时间为10s-30s。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
该质子交换膜燃料电池快速活化方法简单易行，可明显缩短活化时间，对提高燃料电池活化效率及节能减排具有重要意义。
附图说明
图1为实施例1中燃料电池膜电极活化过程的电流密度随时间变化图；
图2为实施例2中燃料电池膜电极活化过程的电流密度随时间变化图；
图3为对比例中燃料电池膜电极活化过程的电流密度随时间变化图；
图4为对比例中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线；
图5为实施例1中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线；
图6为实施例2中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线；
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例做具体说明。
实施例1：
将活性面积为10cm2的膜电极组装至单电池夹具中，并连接至测试仪器上。检测夹具气密性后，向阴阳两极通入N2进行吹扫，持续30s。设定工作温度80℃，并分别向阴阳极通入相对湿度为100％的空气和氢气，化学计量比均为1.5，同时设定气体工作压力均为0.1Mpa。待温度上升至80℃后，对燃料电池进行恒定速率连续变电流强制活化。其活化程序为：将电流密度从0以300mA/cm2的恒定速率逐步分段升高直至最低电压值到0.4V，各输出电流的持续时间为20s；当单电池电压降低到0.4V时，以300mA/cm2的恒定速率逐步分段降低，具体电流密度随时间变化如图1所示。重复上述活化步骤，每次活化过程均实时记录其极化曲线和功率密度曲线，连续两次极化曲线和功率密度曲线基本重合，则活化完成。
实施例2：
将活性面积为280cm2的膜电极组装至短堆中，并连接至测试仪器上，检测夹具气密性后，向阴阳极通入N2进行吹扫，持续30s。设定工作温度80℃，并分别向阴阳极通入相对湿度为100％的空气和氢气，化学计量比均为1.5，同时设定气体工作压力阳极为0.15Mpa，阴极为0.13Mpa。待温度上升至80℃后，对燃料电池进行恒定速率连续变电流强制活化，其活化程序为：将电流密度从0以100mA/cm2的恒定速率逐步分段升高至最低电压值到0.55V，各输出电流的持续时间为20s；当单电池电压降低到0.55V时，以100mA/cm2的恒定速率逐步分段降低，具体电流密度随时间变化如图2所示。重复上述活化步骤，每次活化过程均实时记录其极化曲线和功率密度曲线。
对比例：
在与实施例1相同的测试条件下，将活性面积为10cm2的膜电极在900mA/cm2电流密度下活化60min，电流密度随时间变化如图3所示。
如图4所示，为对比例中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线，从图中可以看出经过总时长为1h的活化后，最大功率增加率为7.3％；在1100mA/cm2时，单电池电压从初始0.68V上升到0.705V，增加率为3.6％。
图5为实施例1中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线，从图中可以看出，与对比例相比，采用实施例1所述的方法活化后的燃料电池膜电极的最大功率与输出电压增加率仍高于对比例的增加率，分别为10.5％和6.3％，说明采用本发明的活化方法可有效缩短活化时间。
图6为实施例2中燃料电池活化前和活化后的极化曲线与功率密度曲线，从图中可以看出，与对比例相比，该实施例2活化后的燃料电池膜电极的最大功率与输出电压增加率仍高于对比例的增加率，分别为11.5％和6.7％，结果表明采用本发明的活化方法可有效缩短活化时间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、对燃料电池进行气密检测和吹扫；
b、将燃料电池连接至燃料电池测试台并设定工作温度，分别向阴极和阳极通入氧化剂和氢气；达到工作温度后对燃料电池进行从低到高分段逐步上升电流密度直至电池电压大于最小电压值，此后分段逐步降低电流密度直至电流密度为0，循环上述过程进行活化，各段输出电流持续时间为10s-60s；
c、重复步骤b，并实时记录其极化曲线及功率密度曲线，当活化后连续两次极化曲线和功率密度曲线基本重合时活化完成。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：步骤a中吹扫时间为20s-40s。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：步骤b中向阳极吹入的是纯氢气，化学计量比为1.5-1.8；氧化剂为纯氧气或空气，化学计量比为1.5-2.5，工作压力为0-0.18Mpa，相对湿度为50-100％。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：90-100％。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：步骤b中工作温度为50-90℃。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：步骤b中工作温度为70-80℃。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：所述每段输出电流变化速率范围为50mA/cm2-500mA/cm2，所述的最小电压值为0.15V-0.6V。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：所述每段输出电流变化速率范围为100mA/cm2-300mA/cm2，所述的最小电压值为0.40V-0.55V。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池快速活化方法，其特征在于：各段输出电流持续时间为10s-30s。
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