[發明專利]一種提升燃料電池活化效率的方法

有效

• 申請號: 201610061662.9
• 申請日: 2016-01-28
• 公開（公告）號: CN105552405B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 李光偉;石偉玉;王倩;臧振明
• 申請（專利權）人: 新源動力股份有限公司
• 主分類號: H01M8/04223
• 分類號: H01M8/04223
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司21212
• 代理人: 高永德,李洪福

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，尤其涉及提升燃料電池活化效率的方法，特別適用于膜電極組件(MEA)特性評價前的預處理過程及監控單電池活化程度。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)的核心部分為膜電極組件(MEA)。在電池完成初始組裝后，此時膜電極中的催化劑大都處于離散狀態，離散狀態的催化劑的催化效果較差。為提升MEA性能，使催化劑得到充分利用，需要對MEA進行活化處理。

同時，由于MEA的催化層不僅有反應氣向催化劑表面傳輸，還有水向外排出的功能，如果反應氣不能充分地滿足反應的需要，或者水不能及時排出，都會影響電化學反應速率，使燃料電池無法獲得滿意的輸出功率。但是，MEA制備過程中，結構并沒有達到最優化。這是因為：(1)催化層一般由離子導電聚合物(如Nafion)和催化劑兩種物質組成，兩者混合過程中，會有部分催化劑的活性面積被離子導電聚合物覆蓋，使反應氣無法達到催化劑表面；(2)MEA制備過程中，催化劑/離子導電聚合物漿料中溶劑逐漸揮發，使得催化劑表面產生一定的空隙，這些空隙的存在有利于氣體的傳輸。但在制備催化層的過程中，往往需要多次噴涂才能達到預定的催化劑載量，因此有一部分空隙會在噴涂過程中被堵塞，在催化劑表面形成了完全封閉的孔或者半封閉的孔，而反應氣難以進入這些孔內與催化劑接觸。(3)在MEA的熱壓過程中，催化層被壓縮，也會引起一些孔的封閉。反應氣主要是依靠催化層內部的孔向內傳輸的，但是由于上述問題的存在使得催化層的孔被封閉，導致整個催化層的孔隙率降低或者孔的連續性降低，增加了反應氣的傳輸障礙，使得反應氣無法達到催化劑表面參與反應，造成燃料電池無法獲得理想的輸出功率。通過合適的活化過程，可以優化催化層的孔結構，使氣體傳輸順利進行，提升燃料電池性能。

因此，燃料電池的活化不僅是一個增濕過程，更是一個優化催化層結構提升氣體傳輸效率的過程。

現有技術的燃料電池活化方法為采用大電流強制放電的恒電流活化方法對MEA進行活化，即通過對燃料電池施加較大電流，來實現對MEA的活化。這種活化方法的原理是：在高電流密度下，生成水的量增大，產物水向MEA外部擴散，可以改善催化層的孔結構，構建有利于水和氣體傳輸的通道；產物水也向陽極進行反擴散，提升離子導電聚合物的水合程度，不僅可以降低電池內阻，還可以降低催化層的質子傳導阻抗。但這種方法存在的缺點是：耗時較長，燃料消耗較大，而且通常情況下采用此種方法所得電池中MEA催化層結構并不能處于最佳狀態，活化效率有限。此外，因為在燃料電池進行大電流放電的過程中，MEA溫度升高較快，雖然可能隨著水反擴散量的增加，電池的內阻變化并不大，但是一旦電流密度降低，電池溫度可能會過高，在散熱不及時的情況下，容易導致質子膜及催化層中聚合物脫水，MEA內阻急劇升高，導致MEA的性能下降，影響活化效果。因此該方法對控制MEA的溫度與內阻的平衡有極其嚴格的要求。

為了改善上述問題，US6730424B1公開了一種新型活化方法，該方法通過在陰極生成氫氣達到提升燃料電池性能的效果，所述方法包括下述步驟：(1)將增濕的氫氣通入陽極；(2)將增濕的惰性氣體通入陰極，以外接電源的負極連接燃料電池陰極，正極連接燃料電池陽極，給燃料電池強行施加一定電流。該方法是利用電化學原理改善陰極結構，從而實現MEA活化的。其基本原理為：將陽極通入增濕的氫氣，陰極通入增濕的惰性氣體以保證陰極的氣體流動；在燃料電池兩側施加電壓，進行強制放電，使陽極氫氣以氫離子的形式通過催化層和質子交換膜，并通過電滲透移動到陰極，在陰極重新生成氫氣；此時陰極產生的氫氣可以打開催化層中封閉孔道，改善陰極催化層的孔結構，從而實現對MEA的活化。此類方法雖然活化效果較好，但是活化條件要求過高，需要外接電源，使得該方法受到極大限制。

另外，由于MEA本身特性的不同可能會導致其活化所需時間的不同，而現有活化方法基本都無法直觀判斷燃料電池的活化程度，使得活化過程具有一定的盲目性，因此尋找一種可以監控MEA活化狀態的方法是本領域需要解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種提升燃料電池活化效率和監控活化程度的方法，以克服現有活化方法活化所需時間長和活化程度無法監控的不足。

本發明的技術方案是：一種提升燃料電池活化效率的方法，包括恒電壓活化處理、在陰極采用氮氣替代空氣的情況下對電池進行強制放電處理和電壓掃描法測試電池極化曲線，其特征在于：所述提升燃料電池活化效率的方法包括以下步驟；