一種提升燃料電池活化效率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，尤其設(shè)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(píng)價(jià)前的預(yù)處理過(guò)程及監(jiān)控單電池活化程度。
【背景技術(shù)】
[0002] 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的核屯、部分為膜電極組件(MEA)。在電池完成初始組 裝后，此時(shí)膜電極中的催化劑大都處于離散狀態(tài)，離散狀態(tài)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(duì)MEA進(jìn)行活化處理。
[0003] 同時(shí)，由于MEA的催化層不僅有反應(yīng)氣向催化劑表面?zhèn)鬏?，還有水向外排出的功 能，如果反應(yīng)氣不能充分地滿足反應(yīng)的需要，或者水不能及時(shí)排出，都會(huì)影響電化學(xué)反應(yīng)速 率，使燃料電池?zé)o法獲得滿意的輸出功率。但是，MEA制備過(guò)程中，結(jié)構(gòu)并沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)化。 運(yùn)是因?yàn)椋海?)催化層一般由離子導(dǎo)電聚合物(如化fion)和催化劑兩種物質(zhì)組成，兩者混合 過(guò)程中，會(huì)有部分催化劑的活性面積被離子導(dǎo)電聚合物覆蓋，使反應(yīng)氣無(wú)法達(dá)到催化劑表 面；（2)MEA制備過(guò)程中，催化劑/離子導(dǎo)電聚合物漿料中溶劑逐漸揮發(fā)，使得催化劑表面產(chǎn) 生一定的空隙，運(yùn)些空隙的存在有利于氣體的傳輸。但在制備催化層的過(guò)程中，往往需要多 次噴涂才能達(dá)到預(yù)定的催化劑載量，因此有一部分空隙會(huì)在噴涂過(guò)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(yīng)氣難W進(jìn)入運(yùn)些孔內(nèi)與催化劑接觸。（3) 在MEA的熱壓過(guò)程中，催化層被壓縮，也會(huì)引起一些孔的封閉。反應(yīng)氣主要是依靠催化層內(nèi) 部的孔向內(nèi)傳輸?shù)?，但是由于上述?wèn)題的存在使得催化層的孔被封閉，導(dǎo)致整個(gè)催化層的 孔隙率降低或者孔的連續(xù)性降低，增加了反應(yīng)氣的傳輸障礙，使得反應(yīng)氣無(wú)法達(dá)到催化劑 表面參與反應(yīng)，造成燃料電池?zé)o法獲得理想的輸出功率。通過(guò)合適的活化過(guò)程，可W優(yōu)化催 化層的孔結(jié)構(gòu)，使氣體傳輸順利進(jìn)行，提升燃料電池性能。
[0004] 因此，燃料電池的活化不僅是一個(gè)增濕過(guò)程，更是一個(gè)優(yōu)化催化層結(jié)構(gòu)提升氣體 傳輸效率的過(guò)程。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池活化方法為采用大電流強(qiáng)制放電的恒電流活化方法對(duì)MEA進(jìn) 行活化，即通過(guò)對(duì)燃料電池施加較大電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)MEA的活化。運(yùn)種活化方法的原理是:在 高電流密度下，生成水的量增大，產(chǎn)物水向MEA外部擴(kuò)散，可W改善催化層的孔結(jié)構(gòu)，構(gòu)建有 利于水和氣體傳輸?shù)耐ǖ?產(chǎn)物水也向陽(yáng)極進(jìn)行反擴(kuò)散，提升離子導(dǎo)電聚合物的水合程度， 不僅可W降低電池內(nèi)阻，還可W降低催化層的質(zhì)子傳導(dǎo)阻抗。但運(yùn)種方法存在的缺點(diǎn)是:耗 時(shí)較長(zhǎng)，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(jié)構(gòu)并不能處 于最佳狀態(tài)，活化效率有限。此外，因?yàn)樵谌剂想姵剡M(jìn)行大電流放電的過(guò)程中，MEA溫度升高 較快，雖然可能隨著水反擴(kuò)散量的增加，電池的內(nèi)阻變化并不大，但是一旦電流密度降低， 電池溫度可能會(huì)過(guò)高，在散熱不及時(shí)的情況下，容易導(dǎo)致質(zhì)子膜及催化層中聚合物脫水， MEA內(nèi)阻急劇升高，導(dǎo)致MEA的性能下降，影響活化效果。因此該方法對(duì)控制MEA的溫度與內(nèi) 阻的平衡有極其嚴(yán)格的要求。
[0006] 為了改善上述問(wèn)題，US6730424B1公開(kāi)了一種新型活化方法，該方法通過(guò)在陰極生 成氨氣達(dá)到提升燃料電池性能的效果，所述方法包括下述步驟：（1)將增濕的氨氣通入陽(yáng) 極；（2)將增濕的惰性氣體通入陰極，W外接電源的負(fù)極連接燃料電池陰極，正極連接燃料 電池陽(yáng)極，給燃料電池強(qiáng)行施加一定電流。該方法是利用電化學(xué)原理改善陰極結(jié)構(gòu)，從而實(shí) 現(xiàn)MEA活化的。其基本原理為:將陽(yáng)極通入增濕的氨氣，陰極通入增濕的惰性氣體W保證陰 極的氣體流動(dòng);在燃料電池兩側(cè)施加電壓，進(jìn)行強(qiáng)制放電，使陽(yáng)極氨氣W氨離子的形式通過(guò) 催化層和質(zhì)子交換膜，并通過(guò)電滲透移動(dòng)到陰極，在陰極重新生成氨氣;此時(shí)陰極產(chǎn)生的氨 氣可W打開(kāi)催化層中封閉孔道，改善陰極催化層的孔結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)高，需要外接電源，使得該方法受到極大限制。
[0007] 另外，由于MEA本身特性的不同可能會(huì)導(dǎo)致其活化所需時(shí)間的不同，而現(xiàn)有活化方 法基本都無(wú)法直觀判斷燃料電池的活化程度，使得活化過(guò)程具有一定的盲目性，因此尋找 一種可W監(jiān)控MEA活化狀態(tài)的方法是本領(lǐng)域需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種提升燃料電池活化效率和監(jiān)控活化程度的方法，W克服 現(xiàn)有活化方法活化所需時(shí)間長(zhǎng)和活化程度無(wú)法監(jiān)控的不足。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)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?dú)馓娲諝獾那闆r下對(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)制放電處理和電壓掃描法測(cè)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W下步驟；
[0010] 1)電池正常操作，陽(yáng)極通入氨氣，陰極通入空氣，升高電池溫度至所需溫度，用電 壓掃描法測(cè)試活化前的電池極化曲線，得極化曲線I;
[0011] 2)在陰極采用氮?dú)馓娲諝馇闆r下對(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)制放電處理，電池電壓低于 0.1V；
[0012] 3)用電壓掃描法測(cè)試經(jīng)過(guò)步驟2)的電池極化曲線，得極化曲線n ;
[001引4)維持化學(xué)計(jì)量比為1.0~1.5W下通入空氣情況下進(jìn)行2次恒電壓活化處理，并 在每次活化處理后用電壓掃描法測(cè)試電池極化曲線，分別得極化曲線m和極化曲線IV;
[0014] 5)分析極化曲線m和極化曲線IV，根據(jù)極化曲線m和極化曲線IV的偏差程度判斷 活化是否完成。
[0015] 本發(fā)明所述一種提升燃料電池活化效率的方法，其特征在于:所述在陰極采用氮 氣替代空氣情況下對(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)制放電處理是控制電流分別在0.25A和0.1 OA各維持5min。
[0016] 本發(fā)明所述一種提升燃料電池活化效率的方法，其特征在于:所述恒電壓活化處 理是先在0.6V維持15min，然后在OCV維持Imin，接著在0.4V維持15min，其中OCV為開(kāi)路電 壓。
[0017] 本發(fā)明所述一種提升燃料電池活化效率的方法，其特征在于:所述根據(jù)極化曲線 m和極化曲線IV的偏差程度判斷活化是否完成包括:在同等電流密度下若二曲線電壓偏差 在IOmV之內(nèi)，則活化完成;在同等電流密度下若二曲線電壓偏差超出IOmV,則重復(fù)步驟6)和 7)，直至兩曲線偏差達(dá)到在同等電流密度下二曲線電壓偏差在IOmV之內(nèi)。
[0018] 本發(fā)明所述一種提升燃料電池活化效率的方法，其特征在于:所述電壓掃描法測(cè) 試電池極化曲線為，將電池連接負(fù)載，通過(guò)控制負(fù)載控制電池輸出電壓的線性變化，線性掃 描范圍OCV~0.4V，掃描速度5mV/s，其中OCV為開(kāi)路電壓。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是：
[0020] 1、用電壓掃