專利名稱：一種使毒化的質(zhì)子交換膜燃料電池性能恢復(fù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池，是一種加電壓恢復(fù)陰極雜質(zhì)氣體中毒的質(zhì)子交換膜燃料電池性能的方法；具體的說是一種采用循環(huán)伏安法將化學(xué)吸附在電極上的中毒雜質(zhì)施加較高電壓，使吸附在電極上的雜質(zhì)脫附的質(zhì)子交換膜燃料電池性能恢復(fù)的方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)除具有燃料電池的一般特點，如能量轉(zhuǎn)化效率高，環(huán)境友好等，同時還具有可室溫快速啟動，無電解液流失，壽命長，比功率與比能量高等突出特點。因此，它不僅可用于建設(shè)分散電站，也特別適宜于用作可移動動力源，是電動車和不依靠空氣推進潛艇的理想候選電源之一，是軍民通用的一種新型可移動動力源，在未來的以氫作為主要能量載體的氫能時代，它是最佳的家庭動力源。
隨著質(zhì)子交換膜燃料電池研究的深入，電池的耐久性問題日益受到研究者的廣泛關(guān)注與重視，環(huán)境氣氛適應(yīng)性是其中的重要方面。由于質(zhì)子交換膜燃料電池運行過程中多采用環(huán)境空氣，因此空氣中所含有的各種雜質(zhì)氣體與電池的性能和壽命密切相關(guān)。
NO、NO2、H2S、SO2等都是大氣中的主要污染物，多是工業(yè)廢氣和汽車尾氣排放造成?？諝庵械碾s質(zhì)氣體一旦進入電池，就會在電催化劑上產(chǎn)生吸附。吸附分為兩種，NO、NO2等在電催化劑上的吸附為物理吸附，H2S、SO2在電催化劑上的吸附為化學(xué)吸附。雜質(zhì)一旦在電催化劑上吸附，就會占據(jù)Pt的活性位。而當(dāng)吸附達到一定程度，剩余活性位無法滿足氫氧催化反應(yīng)的要求時，電池的性能就會下降。而電池性能一旦下降，尤其是化學(xué)吸附的雜質(zhì)造成的性能衰減，通過電池自身將很難恢復(fù)。
關(guān)于陰極雜質(zhì)氣體在電催化劑上的吸附機理和對電池的影響程度，已有少數(shù)專利報道。但如何恢復(fù)已被毒化電極的性能尚未見相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
為彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠使燃料電池電極中毒后性能恢復(fù)并且可延長使用壽命的質(zhì)子交換膜燃料電池性能恢復(fù)的方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為采用循環(huán)伏安法，對已被空氣中含有的雜質(zhì)氣體毒化的電極施以較高電壓，使電催化劑上吸附的雜質(zhì)被氧化脫附，恢復(fù)催化活性，從而恢復(fù)電極性能。
質(zhì)子交換膜燃料電池性能恢復(fù)的方法具體步驟如下(1)將已被毒化的電池陰極通入氮氣，陽極通入氫氣。
(2)將所述的毒化電池通氣60分鐘后，待電壓穩(wěn)定，對其進行循環(huán)伏安掃描。
其中掃描范圍為陰極電壓為0.05V～1.45V，掃描速率別為5mV/s、10mV/s、15mV/s；掃描過程中陽極仍通氫氣，陰極仍通氮氣。
本發(fā)明原理為以含有H2S雜質(zhì)的空氣為例。在以純凈空氣運行電池時，電池性能穩(wěn)定。當(dāng)切換為含有H2S雜質(zhì)氣體的空氣運行電池后，電池性能在很短時間內(nèi)急劇降低，說明H2S雜質(zhì)氣體對PEMFC電極有明顯的毒化作用。采用循環(huán)伏安法后，在循環(huán)伏安掃描過程中，第一圈在0.9V以上的陽極掃描電勢范圍內(nèi)，在0.92V及1.12V處出現(xiàn)了兩個明顯的氧化峰，并以1.12V處的氧化峰最為突出。這是由于S在Pt電極上發(fā)生如下反應(yīng)H2S-PtPt-S+H2[1]H2S+Pt-HPt-S+3/2H2[2]在第二圈及以后的幾圈掃描中，這樣的兩個峰快速退化，至第5圈時基本消失。說明循環(huán)伏安很好的氧化脫附了在電催化劑上化學(xué)吸附的雜質(zhì)，電極性能得到良好的恢復(fù)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.延長了燃料電池電極的使用壽命。采用本發(fā)明的方法可恢復(fù)電極性能，有效解決了燃料電池電極中毒后性能下降、壽命縮短問題，從而可推動燃料電池的發(fā)展。
2.方法簡單。本發(fā)明操作簡便，見效迅速，可使電極性能在短時間內(nèi)得到完全恢復(fù)。
3.解決了PEMFC的環(huán)境適應(yīng)性問題。PEMFC在惡劣的空氣環(huán)境下，性能會明顯下降。采用本方法，可迅速恢復(fù)電極性能，從而更好的適應(yīng)不同的環(huán)境。


圖1為本發(fā)明實施例不同操作條件下電池電壓隨累計時間的變化結(jié)果圖；圖2為本發(fā)明實施例不同條件下得到的極化曲線對比圖；圖3為本發(fā)明實施例通入200ppmH2S后得到的循環(huán)伏安譜圖；圖中Recover with air用空氣恢復(fù)，CV循環(huán)伏安，IVtest極化曲線測試，Accumulative running time累積運行時間。Voltage電壓，Current density電流密度，Potential vs.SHE相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電壓。
具體實施例方式說明本實施例通過加速實驗，陰極通入含較高濃度(200ppm)H2S的空氣，使得電池在短時間內(nèi)中毒。重新通入純凈空氣，電池性能并不能自行恢復(fù)。此時采用循環(huán)伏安方法，對電極施以較高的電壓，則可以恢復(fù)電池性能。
實施例11.毒性化處理測試(1)組裝單電池陽極反應(yīng)氣體為純氫氣，陰極反應(yīng)氣體為純凈空氣。
極化曲線測試①以純凈空氣恒電流密度(700mA/cm2)極化運行電池一段時間，記錄電壓-時間曲線(參見圖1)。
②運行上述組裝好的電池，待電池性能穩(wěn)定后測試極化曲線。其中測試極化曲線時采用穩(wěn)態(tài)極化方式，每個測試電流密度點約測定5分鐘(參見圖2)。
(2)毒化單電池陽極反應(yīng)氣體為純氫氣，陰極反應(yīng)氣體為200ppmH2S雜質(zhì)氣體的空氣。
極化曲線測試①以含有H2S雜質(zhì)氣體的空氣恒電流密度極化運行一段時間，同樣記錄恒電流密度(700mA/cm2)極化曲線。
②待電池性能穩(wěn)定后用穩(wěn)態(tài)極化方式測試H2S中毒后電池極化曲線(參見圖2)。
(3)檢測毒化單電池陽極反應(yīng)氣體為純氫氣，陰極反應(yīng)氣體再次切換為純凈空氣，恒電流密度極化運行電池并記錄恒電流密度極化曲線隨后再次測量電池的穩(wěn)態(tài)極化曲線。
2.采用循環(huán)伏安法恢復(fù)電池性能①將上述已被毒化的電池陰極通入氮氣，陽極通入氫氣。
②將所述的毒化電池通氣60分鐘后，待電壓穩(wěn)定，對其進行循環(huán)伏安掃描。
其中掃描范圍為陰極電壓為0.05V～1.45V，掃描速率10mV/s；掃描過程中陽極仍通氫氣，陰極仍通氮氣。
所謂循環(huán)伏安，是指在電極上施加以一定步階逐漸增加(或減少)的電位。當(dāng)?shù)竭_希望的最大(或最小)電位時，“掃描”的方向反轉(zhuǎn)。測量每步階的電流，然后繪制電流對電位的圖。
③極化曲線測試測量電池恒電流密度運行極化曲線并隨后測量電池的穩(wěn)態(tài)極化曲線。
(3)結(jié)果分析由圖1可見，在以純凈空氣運行電池時，電池性能穩(wěn)定。當(dāng)切換為含有H2S雜質(zhì)氣體的空氣后，電池性能在很短時間內(nèi)急劇降低，說明H2S雜質(zhì)氣體對PEMFC電極有明顯的毒化作用。而采用循環(huán)伏安法后，電池性能幾乎恢復(fù)到最初的水平。
從圖2中可明顯看出，在采用含有H2S的空氣運行電池后，電池性能下降極大，這再次說明H2S對電池性能毒化作用明顯。而采用循環(huán)伏安法后，電極的性能得到明顯的改善。
從圖3中可看到，在循環(huán)伏安掃描過程中，第一圈在0.9V以上的陽極掃描電勢范圍內(nèi)，在0.92V及1.12V處出現(xiàn)了兩個明顯的氧化峰，并以1.12V處的氧化峰最為突出。這是由于S在Pt電極上發(fā)生如下反應(yīng)H2S-PtPt-S+H2[1]H2S+Pt-HPt-S+3/2H2[2]在第二圈及以后的幾圈掃描中，這樣的兩個峰快速退化，至第5圈時基本消失。說明循環(huán)伏安很好的氧化脫附了在電催化劑上化學(xué)吸附的雜質(zhì)。從圖1、圖2中也可以看到，電極性能得到良好的恢復(fù)。
實施例2與實施例1不同之處在于1.采用循環(huán)伏安法恢復(fù)電池性能①將上述已被毒化的電池陰極通入氮氣，陽極通入氫氣。
②將所述的毒化電池通氣60分鐘后，待電壓穩(wěn)定，對其進行循環(huán)伏安掃描。
其中掃描范圍為陰極電壓為0.05V～1.45V，掃描速率5mV/s；掃描過程中陽極仍通氫氣，陰極仍通氮氣。
實施例3與實施例1不同之處在于1.采用循環(huán)伏安法恢復(fù)電池性能①將上述已被毒化的電池陰極通入氮氣，陽極通入氫氣。
②將所述的毒化電池通氣60分鐘后，待電壓穩(wěn)定，對其進行循環(huán)伏安掃描。
其中掃描范圍為陰極電壓為0.05V～1.45V，掃描速率15mV/s；掃描過程中陽極仍通氫氣，陰極仍通氮氣。
通過該實例可以看出，在PEMFC經(jīng)過空氣質(zhì)量較差、H2S含量較高的地區(qū)時，電池性能會發(fā)生衰減。即使重返空氣清新的地區(qū)，電池性能也無法恢復(fù)。此時采用加電壓的辦法，可以使吸附在電極上的雜質(zhì)被氧化脫附，從而恢復(fù)電催化劑的活性，電池性能也得以復(fù)原。
權(quán)利要求
1.一種使毒化的質(zhì)子交換膜燃料電池性能恢復(fù)的方法，其特征在于對已被空氣中含有的雜質(zhì)氣體毒化的質(zhì)子交換膜燃料電池電極采用循環(huán)伏安法，使電催化劑上吸附的雜質(zhì)被氧化脫附，恢復(fù)催化活性，從而恢復(fù)電極性能；其中所述循環(huán)伏安法是指對電極在一定電勢范圍內(nèi)進行循環(huán)掃描。
2.按照權(quán)利要求1所述使毒化的質(zhì)子交換膜燃料電池性能恢復(fù)的方法，其特征在于采用循環(huán)伏安法具體步驟為(1)將已被毒化的電池陰極通入氮氣，陽極通入氫氣；(2)將所述的毒化電池通氣60分鐘后，待電壓穩(wěn)定，對其進行循環(huán)伏安掃描；掃描范圍為陰極電壓為0.05V～1.45V，掃描速率分別為5mV/s、10mV/s、15mV/s；掃描過程中陽極仍通氫氣，陰極仍通氮氣。
3.按照權(quán)利要求1所述使毒化的質(zhì)子交換膜燃料電池性能恢復(fù)的方法，其特征還在于所述循環(huán)伏安法是對質(zhì)子交換膜燃料電池電極中Pt催化劑上化學(xué)吸附的雜質(zhì)氣體進行氧化脫附。
4.按照權(quán)利要求1所述使毒化的質(zhì)子交換膜燃料電池性能恢復(fù)的方法，其特征還在于所述空氣中含有的雜質(zhì)氣體為H2S、SO2、NO和NO2。
全文摘要
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池，具體地說是一種使毒化的質(zhì)子交換膜燃料電池性能恢復(fù)的方法，對已被空氣中含有的雜質(zhì)氣體毒化的質(zhì)子交換膜燃料電池電極采用循環(huán)伏安法，使電催化劑上吸附的雜質(zhì)被氧化脫附，恢復(fù)催化活性，從而恢復(fù)電極性能；其中所述循環(huán)伏安法是對質(zhì)子交換膜燃料電池的兩極在一定電勢范圍內(nèi)進行循環(huán)掃描。采用本發(fā)明的方法可恢復(fù)電極性能，同時可有效地解決燃料電池電極中毒后性能下降、壽命縮短問題，從而推動了燃料電池的發(fā)展。
文檔編號H01M8/00GK1992412SQ200510136748
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者傅杰, 侯明, 明平文, 景粉寧, 付宇, 石偉玉 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所