燃料电池的活化方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池的活化方法。


背景技术：

2.燃料电池在正式投入使用前，必须对膜电极组件(mea)进行活化测试，去除膜电极组件和燃料电池组制造过程中引入的残留杂质，活化不能参与反应的催化剂金属反应位点、确保反应物至催化剂的转移路径、并通过充分水合电解质膜和电极中含有的电解质来确保氢离子的转移路径。
3.相关技术中，在燃料电池的活化过程中，阴极板和阳极板的入口压力保持在固定值，随着电流密度的上升，气体流量不断上升，会导致气体的进出口之间产生压降。尤其是当燃料电池的阴极板和阳极板的气体流动方向相反时，会在阳极入口与阴极出口处的膜电极组件两侧形成一个较大的压力差，压差的产生会对膜电极组件的机械性能造成损伤。当此压差超过膜电极组件的承受能力，会加速膜电极组件的老化，甚至可能造成膜电极组件的破裂导致电堆损坏，且膜电极组件两侧压差过大，会导致燃料电池阴极侧分配区的水力直径降低，产生水淹现象。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种燃料电池的活化方法，所述活化方法可以降低膜电极组件两侧的压力差，避免膜电极组件出现老化甚至破裂，并可以改善活化过程中，燃料电池的阴极侧的排水性能。
5.根据本技术第一方面实施例的燃料电池的活化方法，所述燃料电池的阳极板和阴极板被膜电极组件间隔开，阳极入口与阴极出口位于膜电极组件的第一端、阳极出口与阴极入口位于所述膜电极组件的第二端，所述活化方法包括：获取第一端压力差；如果所述第一端压力差超过阈值，则抬高阴极入口压力，以降低第一端压力差。
6.根据本发明实施例的燃料电池的活化方法，实时获取第一端压力差，并在压力差超过阈值时，通过抬高阴极入口压力，以降低膜电极组件朝向阴极侧的运动幅度，不仅可以避免较大的压力差直接作用到膜电极组件上，避免膜电极组件出现机械性能损伤，减缓膜电极组件的老化速度，延长膜电极组件以及燃料电池的使用寿命，而且可以避免阴极侧的水力直径受到膜电极组件挤压，以避免阴极侧的水力直径出现变化，从而使阴极侧的排水特性保持稳定，改善阴极侧的排水效果，以避免阴极侧出现水淹现象，提高燃料电池活化后的工作稳定性。
7.根据本技术的一些实施例，抬高阴极入口压力的同时，抬高阳极入口压力。
8.在一些实施例中，所述阳极入口压力大于所述阴极入口压力。
9.根据本技术的一些实施例，还包括：获取所述燃料电池的电流密度，根据所述电流密度，设定初始阳极入口压力和初始阴极入口压力。
10.在一些实施例中，如果所述燃料电池处于高电密条件下，则设定初始阳极入口压
力和初始阴极入口压力为高压；如果所述燃料电池处于低电密条件下，则设定初始阳极入口压力和初始阴极入口压力为低压。
11.进一步地，所述获取第一端压力差包括：获取所述初始阳极入口压力，获取阳极出口压力；获取所述初始阴极入口压力，获取阴极出口压力；所述初始阳极入口压力-阴极出口压力＝第一端压力差。
12.可选地，所述阴极出口压力＝初始阴极入口压力-阴极压降，所述阳极出口压力＝初始阳极入口压力-阳极压降。
13.根据本技术的一些实施例，还包括：继续获取所述第一端压力差。
14.在一些实施例中，所述燃料电池活化过程中的最低活化电压为0.2v。
15.进一步地，所述阴极入口压力小于所述阳极出口压力。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1是根据本技术实施例的燃料电池活化过程中的膜电极组件位移示意图；
19.图2是现有技术的燃料电池活化过程中膜电极组件的位移示意图。
20.附图标记：
21.膜电极组件10，阳极入口20，阳极出口30，阴极入口40，阴极出口50。
具体实施方式
22.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.首先，如图2所示，现有技术中，在对燃料电池的活化过程中，阴极入口40和阳极入口20的压力保持固定，随着电流密度的上升，气体流量不断上升，会导致阳极入口20与阳极出口30之间的产生压降，阴极入口40与阴极出口50之间产生压降。
24.导致阳极入口20与阴极出口50之间产生较大的压力差，该压力差会导致膜电极组件10朝向阴极侧运动(参见图2的虚线部分)，造成膜电极组件的机械性能损伤，当压力差超过膜电极组件10的承受能力后，会加速膜电极组件10的老化，甚至造成膜电极组件10的破裂，进而导致电堆损坏。
25.同时，阳极入口20与阳极出口30之间的压降产生、阴极入口40与阴极出口50之间的压降产生均与气体流量、压力以及水力直径有关(用于将燃料电池工作产物排出的路径)，同等压力下，流量越大压降越大，同等流量下，压力越大压降越小，水力直径越大，压降越小。
26.基于此，在现有的燃料电池的(电堆)活化过程中，当电流密度较低时，电压过高会降低流量，引起燃料电池内部出现水淹现象(即燃料电池工作产物无法及时排出，堆积在阴极侧)，进而当电流密度较高时，阴极压降变大，导致膜电极组件10的端部两侧的压力差进
一步增大，降低水力直径，水淹现象进一步恶化。
27.下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的燃料电池的活化方法。
28.如图1所示，根据本技术第一方面实施例的燃料电池的活化方法，燃料电池的阳极板和阴极板被膜电极组件间隔开，阳极入口20与阴极出口50位于膜电极组件的第一端、阳极出口30与阴极入口40位于膜电极组件的第二端。
29.其中，活化方法包括：获取第一端压力差；如果第一端压力差超过阈值，则抬高阴极入口40压力，以降低第一端压力差。
30.可以理解的是，阈值代表压力差的阈值，不同规格、尺寸的燃料电池的阈值不同，本领域技术人员在实际应用本技术方法过程中，可以合理设置，
31.具体而言，本技术的燃料电池的活化方法，首先，获取阳极入口20和阴极出口50所在的第一段的压力差，进而当压力差超过第一阈值时，则判定膜电极组件10会在压力差的作用下朝向阴极侧运动，并抬高阴极入口40的压力，如上述，随着阴极入口40的压力上升，使阴极入口40与阴极出口50之间的压降减小，以通过抬高阴极入口40的压力，使阴极出口50的压力更高，确保阳极入口20与阴极出口50之间的压力差在阈值内，以有效地降低膜电极组件10朝向阴极侧的位移量。
32.根据本发明实施例的燃料电池的活化方法，实时获取第一端压力差，并在压力差超过阈值时，通过抬高阴极入口40压力，以降低膜电极组件10朝向阴极侧的运动幅度，不仅可以避免较大的压力差直接作用到膜电极组件10上，避免膜电极组件10出现机械性能损伤，减缓膜电极组件10的老化速度，延长膜电极组件10以及燃料电池的使用寿命，而且可以避免阴极侧的水力直径受到膜电极组件10挤压，以避免阴极侧的水力直径出现变化，从而使阴极侧的排水特性保持稳定，改善阴极侧的排水效果，以避免阴极侧出现水淹现象，提高燃料电池活化后的工作稳定性。
33.需要说明的是，如果燃料电池出现水淹现象，可能导致燃料电池需要紧急停机，导致膜电极组件10出现开路点位，进而导致膜电极组件10寿命的衰减。
34.根据本技术的一些实施例，抬高阴极入口40压力的同时，抬高阳极入口20压力在，并确保阳极入口20压力大于阴极入口40压力。
35.需要说明的是，当抬高阴极入口40压力时，可能会导致阴极入口40压力高于阳极入口20压力，进而导致阴极侧的气体扩散到阳极侧，导致阳极侧产生氢-空界面，引起反极或膜电极组件衰退。
36.进而，在抬高阴极入口40压力的同时，也抬高阳极入口20，并确保阳极入口20压力大于阴极入口40压力，以避免阳极侧出现气体扩散现象，从而提高燃料电池的工作稳定性。
37.根据本技术的一些实施例，活化方法还包括：获取燃料电池的电流密度，根据电流密度，设定初始阳极入口压力和初始阴极入口压力。
38.具体而言，如果燃料电池处于高电密条件下，则设定初始阳极入口压力和初始阴极入口压力为高压；如果燃料电池处于低电密条件下，则设定初始阳极入口压力和初始阴极入口压力为低压。由此，使阳极入口20、阳极出口30、阴极入口40以及阴极出口50的压力均更加合理，可以提高活化效率以及活化水平。
39.可以理解的是，获取第一端压力差包括：获取初始阳极入口压力，获取阳极出口30压力；获取初始阴极入口压力，获取阴极出口50压力；初始阳极入口压力-阴极出口50压力
＝第一端压力差。
40.其中，阴极出口50压力＝初始阴极入口压力-阴极压降，阳极出口30压力＝初始阳极入口压力-阳极压降。这样，本技术的活化方法，在燃料电池的活化过程中，对阴极出口50压力、阳极入口20压力以及两者的压力差的获取更加准确，可以提高阴极入口40以及阳极入口20的压力调控的准确性，从而提高活化稳定性。
41.根据本技术的一些实施例，还包括：继续获取第一端压力差。也就是说，在调整阴极入口40以及阳极入口20压力后，继续获取第一端压力差，并在第一端压力差再次超过阈值时，对阴极入口40压力以及阳极入口20压力进行进一步地调整。
42.在一些实施例中，燃料电池活化过程中的最低活化电压为0.2v。由此，可以加速活化效率，以提高燃料电池的活化效率。
43.进一步地，阴极入口40压力小于阳极出口30压力。
44.下面，以一个具体地实施例，对本技术的燃料电池的活化方法进行解释说明。
45.当设定阳极入口20压力为210kpaa,阳极板以2.0a/cm2的电密度下的最高流量下，阳极压降为10kpa，则阳极出口30压力为200kpaa；
46.设定阴极入口40压力为200kapa，阴极板的压降为100kpaa，则阴极出口50压力位100kpaa,此时mea阳极入口20处的压差为210-100＝110kpa远大于一般mea的工作压力。
47.进而，抬高阴极入口40压力，随着压力的上升，压降会降低，抬高阴极入口40压力至250kpaa，阴极压降会从100kpa降低至50kpa，阴极出口50压力为200kpaa，抬高阳极入口20压力至260kpa，则阳极出口30压力不低于250kpaa。
48.此时，阳极入口20压力-阴极出口50压力＝60kpaa小于最初的110kpaa，可以降低膜电极组件10朝向阴极侧的位移幅度，减小膜电极组件10两侧的压力差，改善排水特性。
49.基于此，本技术的活化方法，在燃料电池的活化过程中，压力的设定与电流密度相关，低电密维持低压，改善流速不足引起的水淹，高电密设定高压，并根据压降，抬高阴极板、阳极板的入口压力，达到降低水力直径变形、减小膜电极组件10的变形量，改善由于压降过大导致的水淹问题，使活化过程顺利进行。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。
52.在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
53.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。
54.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
55.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结
构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
56.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。