[發明專利]一種質子交換膜燃料電池的活化方法

有效

• 申請號: 202010729906.2
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN111916799B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 于力娜;朱雅男;唐柳;張克金;楊帥
• 申請（專利權）人: 一汽解放汽車有限公司
• 主分類號: H01M8/04223
• 分類號: H01M8/04223;H01M8/04537
• 代理公司: 北京遠智匯知識產權代理有限公司 11659
• 代理人: 王巖

本發明涉及一種質子交換膜燃料電池的活化方法，所述活化方法包括如下步驟：(1)向組裝的電池中的陽極通入氫氣，陰極通入氮氣，之后進行LSV測試，測試的滲氫電流值高于電流密度的預設值，斷開氣源；(2)然后將陰極氣體切換為氧氣或空氣，維持陰極氣體的化學計量比為2和陽極氣體氫氣的化學計量比為1.1?1.5，進行活化處理，之后進行極化曲線測試，若活化后連續兩次極化曲線重合，則活化完成；其中，所述活化處理包括依次進行的3階梯恒電壓活化處理。本發明提供的方法，滲氫電流測試過程的引入可以使電池中的催化劑、電解質、Nafion三項界面可以達到最佳平衡狀態，縮短活化時間，還可以大大提高電池中質子膜的化學穩定性，延長電池的使用壽命。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，具體涉及一種質子交換膜燃料電池的活化方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)由于具有能量轉化效率高、低溫啟動快速，無污染、耐久性好、比功率高等優點，因此被認為是20世紀的最佳綠色能源之一。膜電極(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料電池的核心部件，膜電極包括陽極氣體擴散層、陽極邊框、陽極催化層、質子膜、陰極催化層、陰極邊框、陰極氣體擴散層。膜電極是多相物質傳輸和電化學反應的場所，它決定了質子交換膜燃料電池的性能、壽命和成本。高性能的電池應具備通暢的氫質子傳輸通道、電子傳輸通道及反應物傳輸通道，以最快的反應速率和最少的催化劑實現電池所需的功率輸出。但實際上，新制成的電池的功率密度仍然很低，其原因在于制備過程中，膜電極的結構沒有達到最優化，如：(1)熱壓的時候，催化劑和離子聚合物壓合過度，影響了質子的傳遞和電子的運輸速度；(2)單電池增濕不夠或過度，導致質子傳遞很慢，導致性能下降；(3)單電池在組裝制備的過程中，氣體擴散層與CCM間不能實現良好接觸，導致接觸電阻較大。為此，新制備的膜電極需要活化才能正常使用。

CN101136477A公開了一種燃料電池的活化方法，該方法包括將陽極燃料和陰極燃料分別通入燃料電池的陽極室和陰極室中使燃料電池放電，其中，所述放電包括多個放電階段，多個放電階段至少一個時間間隔，且電池在每個放電階段均以恒定電流密度放電。其提供的燃料電池膜電極的活化方法能夠使電池在較短的時間內完成活化操作并使電池具有較高的輸出功率。

CN105895938A公開了一種質子交換膜燃料電池電堆的活化方法，步驟為：將初裝完成的電堆安裝在活化臺上，檢測氣密性；在電池堆的陰極和陽極均通入氮氣吹掃；設定工作溫度；陽極通入不增濕的H₂，陰極通入RH80％增濕的空氣，常排，氣體的壓力為60-100kPa，利用負載對電池堆加載電流，空氣和氫氣的化學計量比分別是3.5和1.5；將空氣和氫氣的化學計量比分別設定成3.0和1.5，在最高電流下持續運行30min；快速降低電流至0A，斷開電路，通入冷卻水冷卻電堆，將電堆冷卻至室溫，然后對初裝的電池堆進行二次緊固，使電池堆的壓縮量達到設定的技術指標，可以簡便快速的活化燃料電池電堆至最佳狀態。

CN110783589A公開了一種質子交換膜燃料電池膜電極的快速活化方法及其應用，所述的快速活化方法的具體步驟包括：步驟一：對燃料電池進行試漏和吹掃后，分別向陰陽極通入氧化劑和氫氣，然后對燃料電池進行連續高頻變電壓強制活化，所述的連續高頻變電壓強制活化是將電壓從開路電壓以恒定的速率線性降低至預先設定的低電壓值，當電池電壓降低到該低電壓值時，迅速斷開電流，電池恢復至開路電壓；步驟二：重復上述活化步驟一，每次活化過程均實時記錄其極化曲線及功率密度曲線，若活化后連續三次極化曲線和功率密度曲線重合，則活化完成。

現有的活化方式通常采用單一的電流密度或單一的電壓進行活化，雖然縮短了活化時間，但活化不徹底，不利于電極反應的徹底進行，導致輸出功率密度不高，同時燃料沒有進行合理的利用，浪費資源。

發明內容