一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种以纯氢为燃料的能量转换装置。它已被应用于航空航天、飞机、汽车、储能等领域。燃料电池技术早已处于商业化阶段，除了考虑燃料电池的制造成本外，活化成本也被认为是一个重要的问题。随着燃料电池堆功率的增加，缩短活化时间是必须解决的问题，以降低成本。
3.cn110649291a提供了一种质子交换膜燃料电池快速活化方法，其活化步骤为：(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。此外该专利活化前需要进行等离子体处理，惰性气体保护，工艺繁琐，条件苛刻。
4.cn113206275a提出将恒流或恒压放电活化后的质子交换膜燃料电池的阴阳极气体切换成干燥氮气，对电池进行吹扫，吹扫完成后，将燃料电池密封并放入高低温试验箱中进行冰冻解冻的活化策略，且该方法操作过程复杂，且电池易因冰冻而发生不可逆损伤。
5.cn113363535a提出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10～60s，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。该专利各段输出电流时间很短，电池从小电密到大电密间快速变换，且最小电至0.15v，一旦控制不当，极易造成膜电极损坏。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法，本发明所提供的变温活化方法条件简单、活化效率高及适用于各种功率级别的燃料电池，适合大批量生产。在电池活化加载前通入加湿的氮气，一方面对电池进行预加湿，提高质子膜的含水量，有利于质子传递；另一方面可以去除电池内部杂质气体，提高电池反应效率。
7.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法，所述变温活化方法包括以下步骤：
9.(1)将燃料电池置于测试平台，设置电池的第一工作温度和阴阳极加湿罐的第一温度，通入增湿氮气，电池和加湿罐温度达到预设温度后将阴极增湿氮气换为增湿空气和/或增湿氧气，将阳极增湿氮气切换为增湿氢气；
10.(2)对电池进行一步加载后，设置电池的第二工作温度为和阴阳极加湿罐的第二温度，对电池进行二步加载；
11.(3)设置电池的第三工作温度为和阴阳极加湿罐的第三温度，对电池进行三步加载，得到活化的质子交换膜燃料电池。
12.本发明通过改变电池工作温度及阴阳极加湿罐温度，一方面调节气体加湿程度，有利于三相界面的形成；另一方面可以提高催化剂活性位点，导致反应效率提高从而提高活化效率，最终使燃料电池性能提升。
13.优选地，步骤(1)所述电池的第一工作温度为75～80℃，例如75℃、76℃、77℃、78℃、79℃或80℃等。
14.优选地，所述阴阳极加湿罐的第一温度为65～70℃，例如65℃、66℃、67℃、68℃、69℃或70℃等。
15.本发明所述变温活化方法中，先将燃料电池升温至75～80℃，阴阳极加湿罐温度为65～70℃活化一定时间，首先建立膜中的质子通道。
16.优选地，步骤(1)所述增湿氮气的化学计量比为1～2.5，例如1、1.5、2.0或2.5等。
17.优选地，所述增湿氮气的背压为50～150kpa，例如50kpa、60kpa、80kpa、100kpa、130kpa或150kpa等。
18.优选地，步骤(1)所述增湿空气和/或增湿氧气的化学计量比为1～2.5，例如1、1.5、2.0或2.5等。
19.优选地，所述增湿空气和/或增湿氧气的背压为50～100kpa，例如50kpa、60kpa、80kpa、100kpa、130kpa或150kpa等。
20.优选地，所述增湿氢气的化学计量比为1～2.5，例如1、1.5、2.0或2.5等。
21.优选地，所述增湿氢气的背压为50～150kpa，例如50kpa、60kpa、80kpa、100kpa、130kpa或150kpa等。
22.优选地，步骤(2)所述一步加载的方式包括恒流加载和/或恒压加载。
23.优选地，所述恒流加载的范围为200～2000ma/cm2，例如：200ma/cm2、500ma/cm2、800ma/cm2、1000ma/cm2、1500ma/cm2或2000ma/cm2等。
24.优选地，所述恒压加载的范围为0.5～0.8v，例如：0.5v、0.55v、0.6v、0.7v或0.8v等。
25.优选地，所述一步加载的时间为30～60min，例如30min、35min、40min、45min、50min或60min等。
26.优选地，步骤(2)所述电池的第二工作温度为65～70℃，例如65℃、66℃、67℃、68℃、69℃或70℃等。
27.优选地，所述阴阳极加湿罐的第二温度为75～80℃，例如75℃、76℃、77℃、78℃、79℃或80℃等。
28.优选地，步骤(2)所述二步
29.本发明将第二温度设置电池工作温度至65～70℃，阴阳极加湿罐温度为75～80℃活化，通过提高加湿罐温度，可达到反应气体过饱和增湿的状态，逐步建立气体、液体传输通道，同时提高催化剂活性位点加载的方式包括恒流加载和/或恒压加载。
30.优选地，所述恒流加载的范围为200～2000ma/cm2，例如：200ma/cm2、500ma/cm2、800ma/cm2、1000ma/cm2、1500ma/cm2或2000ma/cm2等。
31.优选地，所述恒压加载的范围为0.5～0.8v，例如：0.5v、0.55v、0.6v、0.7v或0.8v
等。
32.优选地，所述二步加载的时间为30～60min，例如30min、35min、40min、45min、50min或60min等。
33.优选地，步骤(3)所述电池的第三工作温度为75～80℃，例如75℃、76℃、77℃、78℃、79℃或80℃等。
34.优选地，所述阴阳极加湿罐的第三温度为65～70℃，例如65℃、66℃、67℃、68℃、69℃或70℃等。
35.本发明将第三温度设置电池工作温度75～80℃，阴阳极加湿罐温度为65～70℃活化一定时间，可以进一步增加质子交换膜和催化层中的质子、气体和液体的传递通道，有效降低整体内阻，从而提高电池整体性能和稳定性。
36.优选地，步骤(3)所述三步加载的方式包括恒流加载和/或恒压加载。
37.优选地，所述恒流加载的范围为200～2000ma/cm2，例如：200ma/cm2、500ma/cm2、800ma/cm2、1000ma/cm2、1500ma/cm2或2000ma/cm2等。
38.优选地，所述恒压加载的范围为0.5～0.8v，例如：0.5v、0.55v、0.6v、0.7v或0.8v等。
39.优选地，所述三步加载的时间为30～60min，例如30min、35min、40min、45min、50min或60min等。
40.作为本发明的优选方案，所述变温活化方法包括以下步骤：
41.(1)将燃料电池置于测试平台，设置电池工作温度为75～80℃和阴阳极加湿罐的温度为65～70℃，通入化学计量比为1～2.5，背压为50～150kpa的增湿氮气，电池和加湿罐温度达到预设温度后将阴极增湿氮气换为化学计量比为1～2.5，背压为50～100kpa的增湿空气和/或增湿氧气，将阳极增湿氮气切换为化学计量比为1～2.5，背压为50～150kpa的增湿氢气；
42.(2)采用恒电流或恒电压模式，对电池加载30～60min，设置电池工作温度为65～70℃和阴阳极加湿罐的温度为75～80℃，继续采用恒电流或恒电压加载模式，对电池加载30～60min；
43.(3)设置电池工作温度为75～80℃和阴阳极加湿罐的温度为65～70℃，继续采用恒电流或恒电压加载模式，对电池加载30～60min，得到活化的质子交换膜燃料电池。
44.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
45.(1)本发明所述的变温活化方法条件简单、活化效率高及适用于各种功率级别的燃料电池，适合大批量生产。在电池活化加载前通入加湿的氮气，一方面对电池进行预加湿，提高质子膜的含水量，有利于质子传递；另一方面可以去除电池内部杂质气体，提高电池反应效率。
46.(2)本发明所述的变温活化方法通过改变电池温度及加湿罐温度，调节气体湿度，从而快速打通电子、质子、气液传输通道，降低电池整体内部电阻，提高电池的稳定性，从而达到快速活化电池的目的。
附图说明
47.图1是本发明实施例1完全经历变温活化的电池与对比例1～5中未完全经历变温
活化过程的电池极化曲线对比图。
具体实施方式
48.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
49.实施例1
50.本实施例针对有效活性面积为25cm2的单片电池提供了一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法，所述变温活化方法包括以下步骤：
51.(1)将气密性通过的燃料电池连接到测试台上，电池工作温度设80℃，阴阳极加湿罐温度设为70℃，在此升温过程中阴阳极均通入增湿氮气，计量比均为2，背压均为100kpa，当电池及加湿罐温度均到预设温度后，阴极增湿氮气切换为增湿氧气，计量比为2，阳极增湿氮气切换为增湿氢气，计量比为2，背压为100kpa；
52.(2)采用恒电压的方式对电池进行加载60min，使电池电压保持在0.6v将电池工作温度设70℃，阴阳极加湿罐温度设为80℃，继续采用恒电压的方式对电池进行加载60min，使电池电压保持在0.6v；
53.(3)将电池工作温度设80℃，阴阳极加湿罐温度设为70℃，继续采用恒电压的方式对电池进行加载60min，使电池电压保持在0.6v活化，得到活化的质子交换膜燃料电池。
54.实施例2
55.本实施例针对有效活性面积为25cm2包含5节单电池的短堆提供了一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法，所述变温活化方法包括以下步骤：
56.(1)将气密性通过的燃料电池连接到测试台上，电池工作温度设75℃，阴阳极加湿罐温度设为65℃，在此升温过程中阴阳极均通入增湿氮气，计量比均为2，背压均为100kpa，当电池及加湿罐温度均到预设温度后，阴极增湿氮气切换为增湿空气，计量比为1.5，阳极增湿氮气切换为增湿氢气，计量比为2.5，背压为130kpa；
57.(2)采用恒电流的方式对电池进行加载40min，使电池电流保持在1200ma/cm2将电池工作温度设65℃，阴阳极加湿罐温度设为75℃，继续采用恒电压的方式对电池进行加载40min，使电池电流保持在1200ma/cm2；
58.(3)将电池工作温度设75℃，阴阳极加湿罐温度设为65℃，继续采用恒电压的方式对电池进行加载60min，使电池电流保持在1200ma/cm2活化，得到活化的质子交换膜燃料电池。
59.对比例1
60.本对比例针对有效活性面积为25cm2的单片电池提供了一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法，所述变温活化方法包括以下步骤：
61.(1)将气密性通过的燃料电池连接到测试台上，电池工作温度设70℃，阴阳极加湿罐温度设为80℃，在此升温过程中阴阳极均通入增湿氮气，计量比均为2，背压均为100kpa，当电池及加湿罐温度均到预设温度后，阴极增湿氮气切换为增湿氧气，计量比为2，阳极增湿氮气切换为增湿氢气，计量比为2，背压为100kpa；
62.(2)采用恒电压的方式对电池进行加载60min，使电池电压保持在0.6v将电池工作温度设80℃，阴阳极加湿罐温度设为70℃，继续采用恒电压的方式对电池进行加载60min，
使电池电压保持在0.6v活化，得到活化的质子交换膜燃料电池。
63.对比例2
64.本对比例针对有效活性面积为25cm2的单片电池提供了一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法，所述变温活化方法包括以下步骤：
65.(1)将气密性通过的燃料电池连接到测试台上，电池工作温度设80℃，阴阳极加湿罐温度设为70℃，在此升温过程中阴阳极均通入增湿氮气，计量比均为2，背压均为100kpa，当电池及加湿罐温度均到预设温度后，阴极增湿氮气切换为增湿氧气，计量比为2，阳极增湿氮气切换为增湿氢气，计量比为2，背压为100kpa；
66.(2)采用恒电压的方式对电池进行加载120min，使电池电压保持在0.6v活化，得到活化的质子交换膜燃料电池。
67.对比例3
68.本对比例针对有效活性面积为25cm2的单片电池提供了一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法，所述变温活化方法包括以下步骤：
69.(1)将气密性通过的燃料电池连接到测试台上，电池工作温度设80℃，阴阳极加湿罐温度设为70℃，在此升温过程中阴阳极均通入增湿氮气，计量比均为2，背压均为100kpa，当电池及加湿罐温度均到预设温度后，阴极增湿氮气切换为增湿氧气，计量比为2，阳极增湿氮气切换为增湿氢气，计量比为2，背压为100kpa；
70.(2)采用恒电压的方式对电池进行加载60min，使电池电压保持在0.6v将电池工作温度设70℃，阴阳极加湿罐温度设为80℃，继续采用恒电压的方式对电池进行加载60min，使电池电压保持在0.6v活化，得到活化的质子交换膜燃料电池。
71.对比例4
72.本对比例针对有效活性面积为25cm2的单片电池提供了一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法，所述变温活化方法包括以下步骤：
73.(1)将气密性通过的燃料电池连接到测试台上，电池工作温度设80℃，阴阳极加湿罐温度设为70℃，在此升温过程中阴阳极均通入增湿氮气，计量比均为2，背压均为100kpa，当电池及加湿罐温度均到预设温度后，阴极增湿氮气切换为增湿氧气，计量比为2，阳极增湿氮气切换为增湿氢气，计量比为2，背压为100kpa；
74.(2)采用恒电压的方式对电池进行加载60min，使电池电压保持在0.6v活化，得到活化的质子交换膜燃料电池。
75.对比例5
76.本对比例针对有效活性面积为25cm2的单片电池提供了一种质子交换膜燃料电池的变温活化方法，所述变温活化方法包括以下步骤：
77.(1)将气密性通过的燃料电池连接到测试台上，电池工作温度设70℃，阴阳极加湿罐温度设为80℃，在此升温过程中阴阳极均通入增湿氮气，计量比均为2，背压均为100kpa，当电池及加湿罐温度均到预设温度后，阴极增湿氮气切换为增湿氧气，计量比为2，阳极增湿氮气切换为增湿氢气，计量比为2，背压为100kpa；
78.(2)采用恒电压的方式对电池进行加载60min，使电池电压保持在0.6v活化，得到活化的质子交换膜燃料电池。
79.性能测试：
80.取实施例1和对比例1-5得到的活化的质子交换膜燃料电池进行性能测试，实施例1和对比例1-5电池的极化曲线对比图如图1所示，由图1可以看出，本发明通过改变电池工作温度及阴阳极加湿罐温度，一方面调节气体加湿程度，有利于三相界面的形成；另一方面可以提高催化剂活性位点，导致反应效率提高从而提高活化效率，最终使燃料电池性能提升。
81.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。