[發明專利]一種質子交換膜燃料電池的活化方法和裝置

有效

• 申請號: 200910252441.X
• 申請日: 2009-12-09
• 公開（公告）號: CN102097631B
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 王興杰;梁恩志;蔡騰宇;李彥舟;吳海軍
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 深圳市深佳知識產權代理事務所(普通合伙) 44285
• 代理人: 彭愿潔;李文紅

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其是涉及一種質子交換膜燃料電池的 活化方法和裝置。

背景技術

燃料電池是一種能夠通過電化學方式將儲存在燃料和氧化劑中的化學能 一步轉化為直流電能的能量轉換裝置。其在原理上與蓄電池相類似，都是通 過電化學氧化還原反應，實現電子通過外電路在陰陽極的遷移。但形式上與 柴油發電機相近，需要持續不斷地供給燃料和空氣，排放廢氣和廢水，輸出 電能。其電極反應如下：

陽極反應2H₂→4H⁺+4e^-

陰極反應4H⁺+O₂+4e^-→2H₂O

電池反應2H₂+O₂=2H₂O+Q

其中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）的電解質是由離子導電聚合物構 成（如圖1所示），質子交換膜10’可以為質子交換樹脂（例如Nafion膜）， 質子交換膜10’的兩面分別為多孔催化劑構成的陰極20’和陽極30’，此三層 組合在一起成為三明治結構的膜電極（MEA），將膜電極置于兩個極板40’ 之間，并且加以密封，得到單電池。極板40’上具有溝槽狀的氣體流道，供 通入的氣體與膜電極充分接觸。由于單個電池開路電壓僅為1.0V左右，因此， 通常將多個單電池組合在一起，形成具備高電壓的電堆（Stack）。

參見圖2，一個完整的膜電極包括陽極擴散層303’、陽極整平層302’、 陽極催化層301’、質子交換膜10’、陰極催化層201’、陰極整平層202’、陰 極擴散層203’。催化層是由催化劑（如鉑顆粒）加質子交換樹脂組成，是質 子交換膜燃料電池反應的心臟地帶；整平層一般由導電碳粉加粘結劑特氟龍 （PTFE）組成，起整平作用，以減少催化劑浪費；擴散層一般由碳紙、碳布 等導電透氣支撐材料制成，作用是導電透氣以及支撐整平層和催化層。

在膜電極制造完成并組成電堆后，還不能正常輸出功率，催化劑大都處 于離散狀態，無法真正發揮作用。為了提高膜電極性能，充分利用催化劑， 需要對膜電極進行活化處理。

目前大多數觀點認為活化就是增濕，因此出現了一些活化的方法，如蒸 煮、蒸汽熏蒸等方法。

現有的第一種活化方法采用電解的方式，將外部增濕的氫氣和氧氣分別 通入燃料電池的陽極和陰極，在燃料電池的兩電極間施加1.3～1.5V的外加 電壓，使燃料電池發生電解，在電解過程中，電解質膜中的水分別在陰極和 陽極生成氫氣和氧氣，與通入的氧氣和氫氣快速化合，使水在質子交換樹脂 中的濃度大幅增加，因而增加了水的擴散速度，由此實現電解質膜迅速被水 飽和。

第二種活化方法是采用恒流自然活化的方式，將外部增濕的氫氣和氧氣 分別通入燃料電池的陽極和陰極后，施加一定的電流密度（保證一定的工作 電壓）進行工作。

發明人在實現本發明的過程中，發現現有技術至少存在如下問題：

第一種方法在作用于單片膜電極時，還能夠實現，一旦作用于電堆后， 由于未活化的膜電極制造工藝及微觀結構彼此存在差異，電堆的單片膜電極 之間平行性較差，導致電壓分配不均，活化效果不平行；各膜電極上的電壓 分配不均還有可能導致某片膜電極上電壓高于C的電解電壓，導致C氧化變 成CO₂，使鉑顆粒脫落，導致催化劑鉑顆粒分散性變差，膜電極活性比表面 降低，性能變差。第二種方法在活化過程也很容易出現單片膜電極之間平行 性較差、甚至反極的現象，導致膜電極損壞；而且活化時間過長（超過24h）， 耗費人力物力，活化效果也不理想。

發明內容

本發明實施例的目的是提供一種質子交換膜燃料電池的活化方法和裝 置，以解決現有的質子交換膜燃料電池活化效果差的問題。

本發明實施例提供了一種質子交換膜燃料電池的活化方法，包括：

向質子交換膜燃料電池的氣體流道持續通入去離子水；

在停止通入去離子水并排除去離子水后，根據預置規則調整所述電池的 電堆夾具，以使所述電池各個螺桿的受力均等于預設壓力值且有效長度誤差 不大于預設偏差；

向所述氣體流道持續通入相應的反應氣體，同時調整負載促使所述電池 按照預置步長梯度輸出電流，直到所述電池的輸出電壓達到預設電壓。