[发明专利]一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法

说明书

本发明提供一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法，具体包括以下步骤：步骤1：向电堆的冷却液腔循环通入冷却液；向电堆阴极和阳极通入增湿的氮气；再分别通入增湿的氢气和氮气，然后停止进气和冷却液循环；步骤2：向冷却液腔循环通入冷却液，向电堆的阴极和阳极通入增湿的氢气和氮气，同时将电堆与外接恒流恒压电源相连，调节外接恒流恒压电源为恒压模式，对电堆进行电位循环扫描；步骤3：调节外接恒流恒压电源为恒流模式，对电堆进行电流循环扫描；步骤4：重复步骤2至步骤3一至两次，预处理活化完成；步骤5：进行一至两次电堆在线恒流活化。本发明解决了现有燃料电池电堆预处理活化工艺过程复杂不适于大面积大功率密度的电堆等问题。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池活化技术领域，具体而言，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其副产品为水，运行温度低、启动快且能量转换效率高等优点在减少化石燃料能源需求和污染物排放方面具有很大潜力，在便携式电子设备、电动汽车电源以及电信系统的备用电源等领域均有广泛的应用。质子交换膜燃料电池的性能在很大程度上取决于膜电极组件(MEA)的性能。影响MEA性能的一些参数包括催化剂利用率、MEA制造技术和操作条件等。MEA一般由质子交换膜和两个气体扩散电极(GDE)组成，用于发生电化学反应的阳极和阴极侧。制造后，MEA需要进行活化，以达到其最佳和稳定的性能。活化过程中性能的提高与质子交换膜的水合作用和可用于促进电化学反应的催化剂活性面积有关。因此，不同类型的MEA需要的活化时间不同，可能需要数小时甚至数天。按照PEMFC的放电状态可将活化工艺分为：预处理活化(未放电前)，在线活化(刚开始放电)和恢复性活化(放电一段时间后)等3种。目前，燃料电池电堆的在线活化工艺研究是最多的且应用最广的，但要想进一步缩短活化过程的时间和成本，提高电堆在线活化的效率，对电堆进行预处理活化也是一种重要的方向和途径。

例如，使用析氢方法进行活化，在这个过程中，当阴极入口关闭时，纯氢从阳极侧进料，然后使用外部电源充电，使H+离子被迫通过质子交换膜到达阴极侧，再被还原成氢气。使用这种方法，可以使催化剂层的结构发生变化，即孔隙率和弯曲度，有效提高电池性能。有人提出通过水煮或蒸汽熏电极的方式来提高电池的性能。在MEA装堆前，进行水煮或水蒸，可以提高催化层中全氟磺酸(Nafion)膜的水合作用以及催化剂层中质子的电导性，提高Pt的利用率，从而提高电极的性能。韩国现代提到一种活化技术，将含有水滴的湿化氢气与空气分别注入PEMFC阴极与阳极腔体中，封存一段时间来活化电池。Pt表面上的氧化物(PtOH,PtOx等)被还原(表面氧化状态改变，Tafel常数降低)，可以实现活化。由于存储过程中氢和氧的串漏而在PEMFC中生成真空，所以水滴容易渗透到膜和粘结剂中，由此提高润湿性，达到活化过程的加湿。还有人研究了用不同浓度的硫酸处理PEM，提高PEMFC性能的活化工艺。研究认为，提高酸的浓度，可以提高PEM中的质子数，降低传导电阻，提高PEMFC的性能。此外，还有CO吸附氧化法，添加KMnO₄，使用活化程序来解决阳极Pt催化剂CO中毒，恢复Pt的电化学表面积等。总体来说，预处理活化主要以提升Pt的利用率和润湿质子交换膜来提高PEMFC的性能。且普遍都认为高温、高压的操作条件有利于加快燃料电池电堆的活化过程。与仅使用一种活化方法相比，以合理的顺序组合两种或多种方法可以进一步提升PEMFC的性能。同样，与一步传统方法相比，多步活化方法可以更快的提高电堆的电流密度，因为每个步骤中采用多种不同的操作温度和停止后的冷却技术可以使Nafion膜充分吸收电池中的液态水，从而降低活化过电位和欧姆过电位。

发明内容

根据上述提出现有燃料电池电堆预处理活化工艺过程复杂不适于大面积大功率密度的电堆，可实施性差且活化效果欠佳等技术问题，而提供一种质子交换膜燃料电池电堆预处理活化方法。本发明可以在电堆未放电前实现电堆MEA质子交换膜的快速润湿和阴极催化层活性面积的提升，再结合简单的变电流在线活化方法，将电堆的在线活化时间缩短到30min左右，及经过电堆的预处理活化后，只需更简单、时间更短的在线活化即可使电堆性能达到最佳和稳定，进一步提升了电堆的活化效率，降低活化成本。