專利名稱：燃料電池膜電極的活化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種膜電極的活化方法，更具體地說，是關(guān)于一種燃料電 池膜電極的活化方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它按電化學(xué)原理，把貯存在燃料(如氫 氣、低級醇等)和氧化劑(氧氣)內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。燃料電池具有能
量轉(zhuǎn)換率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，而質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)更具有可低溫運行、比功率高等優(yōu)點，是一 種廣泛應(yīng)用的新型動力源。
以甲醇作為燃料的燃料電池的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的反應(yīng)式分別如反 應(yīng)式(1)和(2)所示，在陰極上用作氧化劑的氧氣通常來自空氣。與以氫 氣作為燃料的燃料電池相同，將陽極產(chǎn)生的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到陰極的離子傳導(dǎo)需要 通過膜電極的質(zhì)子交換膜來完成。
CH3OH+H20 "K:02+6H"+6e—(1)
3/202+6H^+6e-3H20 (2)
膜電極(Membrane Electrode Assembly, MEA)是燃料電池的核心部件， 是燃料和氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的部位。如圖1所示，膜電極包括 陽極1，陰極2及位于陽極1和陰極2之間的質(zhì)子交換膜3，陽極1包括陽 極氣體擴散層6、陽極催化層7，陽極催化層7位于陽極氣體擴散層6和質(zhì) 子交換膜3之間，陰極2包括陰極氣體擴散層8、陰極催化層9，陰極催化 層9位于陰極氣體擴散層8和質(zhì)子交換膜3之間。
為了使燃料電池能達到或快速達到最佳工作狀態(tài)，并提高膜電極中催化
劑的利用率， 一般都需要對燃料電池的膜電極進行活化。膜電極的催化層是 燃料電池反應(yīng)的核心區(qū)域，而陰極催化層又是反應(yīng)最復(fù)雜的地方，因為在陰 極不僅有反應(yīng)氣向電極內(nèi)傳輸，還有產(chǎn)物水向外排出，如果反應(yīng)氣不能充分 地滿足反應(yīng)的需要，或者產(chǎn)物水不能及時排出，都會在很大程度上影響反應(yīng) 的效率，使燃料電池?zé)o法達到滿意的功率輸出。實際上，在制備膜電極的過 程中，膜電極的結(jié)構(gòu)并沒有達到最優(yōu)化。這是因為(1)催化層一般由全氟
磺酸(nafkm)和催化劑兩種主要物質(zhì)組成，全氟磺酸(nafion)起傳導(dǎo)質(zhì)子 以及粘接催化劑的作用。在兩者的混合過程中，會有部分催化劑的活性表面 被全氟磺酸(nafion)覆蓋，使陽極反應(yīng)氣無法達到催化劑表面。(2)在催 化劑/全氟磺酸(nafion)漿料的涂布過程中，隨著溶劑的揮發(fā)可以使催化劑 表面產(chǎn)生一定量的空隙，這些空隙的存在有利于氣體的傳輸。但在催化層的 制備過程中，往往需要多次涂布才能達到需要的催化劑載量，因此有一部分 空隙會在涂布過程中被堵塞，在催化劑表面形成了封閉孔和半封閉孔，而陽 極的反應(yīng)氣很難進到這些孔內(nèi)與催化劑接觸。(3)在膜電極的熱壓過程中， 由于催化層被壓縮，也會封閉一些孔。反應(yīng)氣主要是依靠膜電極內(nèi)部的孔向 內(nèi)傳輸?shù)?，但是由于上述問題使催化層的孔被封閉導(dǎo)致催化層的空隙率降 低，增加了陽極反應(yīng)氣的傳輸障礙，使得陽極反應(yīng)氣無法完全被催化劑催化 并與陰極燃料反應(yīng)，造成燃料電池?zé)o法達到理想的功率輸出。改善這一問題 的重要方法之一是優(yōu)化膜電極的孔結(jié)構(gòu)，對燃料電池的膜電極進行活化，使 氣體傳輸順利進行。
對燃料電池的膜電解進行活化的一般方法為采用大電流強制放電的方 法對燃料電池的膜電極進行活化。即通過對燃料電池施加電流密度大于1200 毫安/厘米2的電流，來實現(xiàn)膜電極的活化。這種活化方法的原理是在高電 流密度下，生成水的量相應(yīng)增大，產(chǎn)物水向外擴散，可以改善陰極的孔結(jié)構(gòu)， 使水和氣體的傳導(dǎo)更加順暢；產(chǎn)物水也向陽極進行反擴散，使質(zhì)子膜的水合
程度提高，在降低內(nèi)阻的同時，可以降低質(zhì)子傳導(dǎo)阻抗。但這種方法也存在 一定缺點，如，此方法的控制比較復(fù)雜，因為，在大電流放電的過程中，膜 電極溫度升高較快，雖然隨著水的反擴散量的增加，電池內(nèi)阻變化不大，但 是一旦電流密度下降，電池溫度可能過高，在散熱不及時的情況下，容易造 成質(zhì)子膜的脫水，膜電極內(nèi)阻急劇升高，導(dǎo)致膜電極的性能下降，影響活化 效果。因此該方法需要嚴(yán)格地控制膜電極的溫度與內(nèi)阻的平衡。另外，膜電 極在大電流工作時，陰極催化層容易積累大量水，造成催化層的"水淹"， 雖然在降低電流密度時，"水淹"現(xiàn)象可以得到改善，但催化層內(nèi)的結(jié)構(gòu)并 不能處于最佳狀態(tài)，大量的水影響了氣體的傳導(dǎo)，所以這種方法的活化效率 很有限。
為了改善上述問題，US6730424公開了一種膜電極的活化方法，該方法 為一種通過用于在陰極生成氫氣而改善H2/空氣燃料電池性能的方法，特別 是對于空氣陰極，所述燃料電池包括陽極、陰極和質(zhì)子交換膜，所述方法包 括下述步驟(1)將增濕的氫氣通入陽極；(2)將氫氣或者增濕的惰性氣體 通入陰極或者在用惰性氣體除去陰極的空氣后關(guān)閉進氣口敞開出氣口 ，以及 (3)給燃料電池施加電流，以電源的負(fù)極連接陰極，正極連接陽極。
該方法利用電化學(xué)的原理，改善陰極結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)膜電極的活化。所 述電化學(xué)活化的原理是將陽極通入增濕的氫氣，陰極通入增濕的惰性氣體 (氮氣或氬氣)以保證陰極的氣體流動；在燃料電池兩極施加電壓，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(zhì)子交換膜，并由于電滲 作用滲透到陰極，在滲透到陰極的過程中重新生成氫氣；在陰極產(chǎn)生的氫氣 打開了原來催化層上的孔，改善了陰極催化層的孔結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)膜電極的 活化。
CN1697228A公開了一種與上述原理相同的有機燃料電池的活化方法， 該方法包括使來自于外電流的電源流過所述燃料電池，所述外電源的正極和
負(fù)極分別與所述燃料電池的陽極和陰極連接，同時分別給所述陽極和所述陰 極提供有機燃料和惰性氣體。該方法也是依靠氫的"電滲"作用實現(xiàn)膜電極 的活化。
此類方法雖然活化效果持久，但是活化條件要求高，活化時間長，且活 化后的燃料電池膜電極的輸出功率仍然不理想。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的燃料電池膜電極活化方法的活化時間 長且活化后的燃料電池功率小的缺點而提供一種活化時間短且活化后的燃 料電池功率大的燃料電池膜電極的活化方法。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在采用現(xiàn)有的方法對膜電極進行活化的過程中， (1)陰極產(chǎn)生的氫氣雖然可以打開一定的封閉孔，但是對于半封閉孔的擴 孔效果不佳。產(chǎn)生的氫氣總是從阻力最小的空隙中向外擴散，而當(dāng)氫氣通過 半封閉孔時由于沒有足夠的壓差，從而無法對半封閉孔進行有效優(yōu)化，因此， 反應(yīng)氣與催化劑的有效接觸面積受到限制，導(dǎo)致陽極和陰極的燃料無法充分
反應(yīng)，膜電極的輸出電流和電壓自然就受到影響。(2)當(dāng)陰極采用惰性氣體 或氫氣進行活化時，由于測試站的增濕器和管路等空間較大，導(dǎo)致氣體置換 的過程很長，通常需要l-2小時才能很好的進行活化操作。(3)采用現(xiàn)有方 法活化膜電極時，為了保持質(zhì)子交換膜充分水合，對反應(yīng)氣的溫度和濕度要 求較高，否則在放電活化過程中，若膜電極溫度升高，會引起膜電極局部失 水，造成膜電極內(nèi)阻增加，影響膜電極的性能。
本發(fā)明提供了一種燃料電池膜電極的活化方法，所述燃料電池包括隔 板、陽極室4、陰極室5和膜電極，所述膜電極位于隔板之間，所述膜電極 包括陽極1，陰極2及位于陽極1和陰極2之間的質(zhì)子交換膜3，所述陽極 室4位于陽極1和隔板之間，所述陰極室5位于陰極2和隔板之間，該方法
包括分別將電源的正極和負(fù)極與燃料電池的陽極1和陰極2連接，在燃料電 池上施加一外電源，在閉合電源前向陽極室4中通入燃料，其中，向陰極室 5中通入水。
本發(fā)明提供的膜電極的活化方法是利用"電滲"原理，通過在膜電極上 施加一外電源，使氫氣或有機燃料如，甲醇在陽極被氧化釋放出氫離子和電 子，如反應(yīng)式(1)所示。所述質(zhì)子經(jīng)質(zhì)子交換膜從陽極遷移到陰極，并與 電子結(jié)合生成氫氣，如反應(yīng)式(3)所示。
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氫離子遷移生成氫氣的過程改變了質(zhì)子交換膜的孔結(jié)構(gòu)而達到活化膜 電極的目的。本發(fā)明的巧妙之處在于將膜電極的陰極通入水， 一方面，由于 水能夠起到封閉的作用，使陰極產(chǎn)生的氫氣在向外擴散的過程中產(chǎn)生一定的 阻力，使氫氣能夠很容易同時打開催化層上的封閉孔和半封閉孔，使膜電極 的孔結(jié)構(gòu)更趨于連通分布，保證燃料電池陽極燃料與催化劑的充分接觸，以 及陽極和陰極燃料的充分反應(yīng)；另一方面，在陰極通入水后，陰極室內(nèi)部空 間完全被水充滿，使膜電極被水蒸氣飽和，始終使質(zhì)子交換膜保持濕潤，有 利于膜的水合，膜電極的活化面積得到顯著提高，因此，燃料電池的功率大 大提高。此外，本發(fā)明的活化方法操作簡單，活化時間短，重復(fù)性好。
圖1為膜電極的剖視圖2為本發(fā)明提供的燃料電池膜電極活化方法的示意圖3為活化前和采用本發(fā)明的方法活化后的燃料電池膜電極的在不同電
流密度下電池輸出電壓的曲線圖4為活化前和采用本發(fā)明的方法活化后的燃料電池膜電極的在不同電
流密度下電池輸出電壓的曲線圖； 圖5為活化前和釆用本發(fā)明的方法活化后的燃料電池膜電極的在不同電
流密度下電池輸出電壓的曲線圖6為活化前和采用本發(fā)明的方法活化后的燃料電池膜電極的在不同電
流密度下電池輸出電壓的曲線圖7為活化前和采用現(xiàn)有方法活化后的燃料電池膜電極在不同電流密度 下電池輸出電壓的曲線圖。
具體實施例方式
如圖2所示，燃料電池包括隔板(在圖中未示出)、陽極室4、陰極室5 和膜電極，所述膜電極位于隔板之間，所述膜電極包括陽極l，陰極2及位 于陽極1和陰極2之間的質(zhì)子交換膜3，所述陽極室4位于陽極1和隔板之 間，所述陰極室5位于陰極2和隔板之間。按照本發(fā)明，分別將電源的正極 和負(fù)極與燃料電池的陽極和陰極連接，在燃料電池上施加一外電源，在閉合 電源前向陽極室4中通入燃料，向陰極室5中通入水。
所述陽極和陰極分別包括位于質(zhì)子交換膜兩側(cè)的催化層和氣體擴散層。 所述催化層分別位于質(zhì)子交換膜的兩側(cè)與質(zhì)子交換膜接觸，所述氣體擴散層 分別位于催化層的兩側(cè)與催化層接觸。質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件即為 膜電極。所述膜電極的制備方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。
所述水可以為各種水，如市政自來水或去離子水，為了保證質(zhì)子交換膜 的性能，不受水中雜質(zhì)和金屬離子的干擾，優(yōu)選為去離子水。所述水的溫度 可以為0-10(TC，優(yōu)選為30-70。C。
所述燃料可以是氫氣、醇、醇的水溶液，有機酸、有機酸的水溶液中的 一種；所述醇選自甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇中的一種或幾種，所述有機酸 選自甲酸、乙酸、丙酸中的一種或幾種。
所述陽極燃料優(yōu)選為增濕的氫氣，所述氫氣的相對濕度為50-100%，所
述使氫氣增濕的方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。
按照本發(fā)明，所述外加電源的正極和負(fù)極分別與燃料電池的陽極和陰極
連接，所述外加電源的電流密度為1-500毫安/厘米2，優(yōu)選為25-300毫安/ 厘米2;所述外加電源的電壓只要保證所述電流密度在上述范圍內(nèi)即可，一 般來說，所述外加電源的電壓為0.01-0.9伏，優(yōu)選為0.1-0.7伏。
按照本發(fā)明，優(yōu)選情況下，在對膜電極進行活化之前需要先將陰極室內(nèi) 殘留的氧氣排出或者消耗，如，可以在通入水之前先將燃料電池的空氣進口 封閉，從氣體出口抽真空，然后通入惰性氣體或增濕的惰性氣體，再反復(fù)多 次抽真空使陰極室中的殘留氣體全部排出；也可以在通入水后，通過外加電 流將陰極室內(nèi)的氧氣消耗后再進行膜電極的活化。優(yōu)選情況下，在對膜電極 進行活化之前，將陽極室抽真空后再通入燃料。
所述活化的時間為5-60分鐘，優(yōu)選為10-30分鐘。
本發(fā)明的方法可以對各種質(zhì)子交換膜燃料電池進行膜電極的活化，如氫 /空氣(氧氣)燃料電池、有機燃料電池等。 一般的燃料電池的空氣電極只有 一個空氣進口和空氣出口，對于陰極為敞開結(jié)構(gòu)的氫/空氣燃料電池或有機燃 料電池來說，因為該燃料電池的陰極有多個空氣開口，這些空氣開口既可以 作為空氣進口，也可以作為空氣出口，因此，優(yōu)選情況下，可以直接將該燃 料電池浸入水中，使陰極室中充滿水。
下面將通過具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述。
實施例1
該實施例說明本發(fā)明提供的燃料電池膜電極的活化方法 1、膜電極的制備與初始性能測試
(1)將0.2重量份碳黑(Vulcan XC72R， Cabot公司)和0.1重量份固 含量為60重量％的PTFE乳液(FR303A，上海三愛富新材料股份有限公司)、 IO重量份去離子水混合，超聲分散30分鐘，得到碳分散液，然后將碳分散 液涂布在碳紙(TGP-H-90， Toray公司)上，IO(TC干燥后碳紙增重量為1 毫克/厘米2，然后置于高溫烘箱內(nèi)35(TC烘干20分鐘，得到氣體擴散層；
(2) 將0.2重量份鉑擔(dān)載量為47.7重量％的Pt/C催化劑(Hispec8100， Johnson Matthey公司產(chǎn)品)和2重量份nafion分散液(DE520, DUPONT 公司產(chǎn)品)混合均勻。超聲分散得到催化劑分散液，然后將分散液涂布在氣 體擴散層的內(nèi)面，直至鉑載量達到0.5毫克/厘米2， 10(TC干燥2小時，得到 氣體擴散電極；
(3) 將兩片上述得到的氣體擴散電極裁成5厘米X5厘米的方形，分別 夾在面積大于氣體擴散電極的nafion膜(NRE212， DUPONT公司產(chǎn)品)的 中央兩側(cè)，送入熱壓機130'C、 2兆帕熱壓2分鐘，得到膜電極。
(4) 用電池隔板將上述膜電極夾在中間組裝成燃料電池，所述隔板內(nèi) 側(cè)分別包括陽極室和陰極室。
(5) 測定膜電極在不同電流密度下的輸出電壓，測定方法如下從燃 料電池陽極進口通入增濕氫氣(70°C，相對濕度為100%)，并保持陽極室內(nèi) 壓力為0.1兆帕，控制陽極出口氫氣流量，保持不同電流密度下，氫氣的利 用率為95%;從陰極進口通入空氣，并保持陰極室內(nèi)壓力為0.1兆帕，控制 陰極出口空氣的流量，保持不同電流密度下，空氣利用率為40%。電池開始 放電，控制電池的工作溫度為7(TC，放電一段時間后，當(dāng)電池的輸出電壓穩(wěn) 定后，記錄為初始電壓，然后改變電池的放電電流密度，記錄電池在不同放 電電流密度下的輸出電壓，并以電流密度(安培/厘米2)為橫坐標(biāo)，輸出電 壓(伏特)為縱坐標(biāo)作圖，結(jié)果如圖3中曲線10所示。
2、膜電極的活化與活化后性能測試 (1)停止放電，向步驟1得到的燃料電池的陽極室通入增濕的氫氣(50 °C，相對濕度為100%)，向陰極室通入5(TC的蒸餾水；
(2) 將外電源的正極和負(fù)極分別與燃料電池的陽極和陰極連通，閉合 電源，外電源的電流密度為100毫安/厘米2，保持該電流密度以消耗陰極室 內(nèi)殘留的氧氣，直至電池電壓降低到0.05伏特以下，說明陰極室內(nèi)殘留的氧 氣己完全被消耗，繼續(xù)保持該電流密度，對燃料電池進行活化IO分鐘；
(3) 排出陰極室內(nèi)的水，并按照步驟l中(5)的方法測定活化后膜電 極在不同放電電流密封下的輸出電壓，結(jié)果如圖3中曲線11所示。
實施例2
該實施例說明本發(fā)明提供的燃料電池膜電極的活化方法
1、膜電極的制備與初始性能測試 (1 )將0.2重量份碳黑(Vulcan XC72R， Cabot公司)禾n 0.1重量份固 含量為60重量XPTFE乳液(FR303A，上海三愛富新材料股份有限公司)、 IO重量份去離子水混合，超聲分散30分鐘，得到碳分散液，然后將碳分散 液涂布在碳紙(TGP-H-90， Tomy公司)上，IO(TC干燥后碳紙增重量1毫 克/厘米2，然后置于高溫烘箱內(nèi)35(TC烘干20分鐘，得到氣體擴散層；
(2) 將0.2重量份鉑擔(dān)載量為47.7重量Wt/C催化劑(Hispec8畫， Johnson Matthey公司產(chǎn)品)和2重量份nafion分散液(DE520, DUPONT 公司產(chǎn)品)混合均勻。超聲分散得到催化劑分散液，然后將分散液涂布在氣 體擴散層的內(nèi)面，直至鉑載量達到0.5毫克/厘米2， 10(TC干燥2小時，得 到氣體擴散電極；
(3) 將兩片上述得到的氣體擴散電極裁成5厘米X5厘米的方形，分別 夾在面積大于氣體擴散電極的nafion膜(NRE212， DUPONT公司產(chǎn)品)的 中央兩側(cè)，送入熱壓機13(TC、 2兆帕熱壓2分鐘，得到膜電極。
(4) 用電池隔板將上述膜電極夾在中間組裝成燃料電池，所述隔板內(nèi) 側(cè)分別包括陽極室和陰極室。
(5)按照實例1中(5)的方法測定活化前膜電極在不同放電電流密度 下的輸出電壓，不同的是增濕氫氣為60'C，相對濕度為100%的增濕氫氣， 通入陽極室內(nèi)增濕氫氣的壓力為0.02兆帕，通入陰極室內(nèi)空氣的壓力為常 壓，控制電池的工作溫度為60"C，結(jié)果如圖4中曲線12所示。 2、膜電極的活化與活化后性能測試
(1) 停止放電，向步驟1得到的燃料電池的陽極室通入增濕的氫氣(60 。C、相對濕度為100%)，向陰極室通入60。C的去離子水；
(2) 將外電源的正極和負(fù)極分別與燃料電池的陽極和陰極連通，閉合 電源，電流密度為250毫安/厘米2，保持該電流密度以消耗陰極室內(nèi)殘留的 氧氣，直至電池電壓降低到0.05伏特以下，說明陰極室內(nèi)殘留的氧氣已完全 被消耗，繼續(xù)保持該電流密度，對燃料電池進行活化20分鐘；
(3) 排出陰極室內(nèi)的水，按照實例1中(5)的方法測定活化后膜電極 在不同放電電流密度下的輸出電壓，不同的是增濕氫氣為6(TC，相對濕度為 100%的增濕氫氣，通入陽極室內(nèi)增濕氫氣的壓力為0,02兆帕，通入陰極室 內(nèi)空氣的壓力為常壓，控制電池的工作溫度為60°C，結(jié)果如圖4中曲線13 所示。
實施例3
該實施例說明本發(fā)明提供的有機燃料電池膜電極的活化方法 1、膜電極的制備與初始性能測試
(1)將0.2重量份碳黑(Vulcan XC72R， Cabot公司)和0.06重量份固 含量為60重量XPTFE乳液(FR303A，上海三愛富新材料股份有限公司)、 IO重量份去離子水混合，超聲分散30分鐘，得到碳分散液，然后將碳分散 液涂布在碳紙(TGP-H-90， Toray公司)上，IO(TC干燥后碳紙增重量1毫 克/厘米2，然后置于高溫烘箱內(nèi)350。C烘干20分鐘，得到氣體擴散層； (2) 將0.5重量份Pt/Ru黑催化劑(Hispec6000，Johnson Matthey公司產(chǎn) 品)和15重量份nafion分散液(DE520， DUPONT公司產(chǎn)品)混合均勻。 超聲分散得到催化劑分散液，然后將分散液涂布在陽極擴散層的內(nèi)面，直至 鉑擔(dān)載量達到5毫克/厘米2， 10(TC干燥2小時，得到陽極燃料擴散電極；
將0.5重量份Pt黑催化劑(Hispec1000， Johnson Matthey公司產(chǎn)品)和 10重量份nafion分散液(DE520， DUPONT公司產(chǎn)品)混合均勻。超聲分 散得到催化劑分散液，然后將分散液涂布在陰極氣體擴散層的內(nèi)面，直至鉑 載量達到4毫克/厘米2， 10(TC干燥2小時，得到陰極氣體擴散電極；
(3) 將上述得到的兩氣體擴散電極裁成5厘米X5厘米的方形，分別夾 在面積大于氣體擴散電極的nafion膜(NE117， DUPONT公司產(chǎn)品)的中央 兩側(cè)，送入熱壓機13(TC、 2兆帕熱壓2分鐘，得到膜電極。
(4) 用電池隔板將上述膜電極夾在中間組裝成燃料電池，所述隔板內(nèi) 側(cè)分別包括陽極室和陰極室。
(5) 按照實例1中(5)的方法測定活化前的膜電極在不同放電電流密 度下的輸出電壓，不同的是從陽極進口通入濃度為l摩爾/升，流量為10毫 升/分鐘的甲醇水溶液，通入陰極室內(nèi)空氣的壓力為常壓，控制電池的工作溫 度為5(TC，結(jié)果如圖5中曲線14所示。
2、膜電極的活化與活化后性能測試
(1) 停止放電，向步驟1得到的燃料電池的陽極室通入濃度為1摩爾/ 升，流量為10毫升/分鐘的甲醇水溶液，向陰極室通入5(TC的去離子水；
(2) 將外電源的正極和負(fù)極分別與燃料電池的陰極和陽極連通，閉合 電源，電流密度為35毫安/厘米2，保持該電流密度以消耗陰極室內(nèi)殘留的 氧氣，直至電池電壓降低到0.05伏特以下，說明陰極室內(nèi)殘留的氧氣已完全 被消耗，繼續(xù)保持該電流密度，對燃料電池進行活化35分鐘；
(3) 排出陰極室內(nèi)的水，按照實例1中(5)的方法測定活化后的膜電
極在不同放電電流密度下的輸出電壓，不同的是從陽極進口通入濃度為l摩
爾/升，流量為10毫升/分鐘的甲醇水溶液，通入陰極室內(nèi)空氣的壓力為常壓， 控制電池的工作溫度為5(TC，結(jié)果如圖5中曲線15所示。
實施例4
該實施例說明本發(fā)明提供的燃料電池膜電極的活化方法 1、膜電極的制備與初始性能測試
(1) 將0.2重量份碳黑(Vulcan XC72R， Cabot公司)和0.1重量份固 含量為60重量XPTFE乳液(FR303A，上海三愛富新材料股份有限公司)、 IO重量份去離子水混合，超聲分散30分鐘，得到碳分散液，然后將碳分散 液涂布在碳紙(TGP-H-90， Tomy公司)上，IO(TC干燥后碳紙增重量1毫 克/厘米2，然后置于高溫烘箱內(nèi)350'C烘干20分鐘，得到氣體擴散層；
(2) 將0.2重量份鉑擔(dān)載量為47.7重量XPt/C催化劑(Hispec8100， Johnson Matthey公司產(chǎn)品)和2重量份nafion分散液(DE520， DUPONT 公司產(chǎn)品)混合均勻。超聲分散得到催化劑分散液，然后將分散液涂布在氣 體擴散層的內(nèi)面，直至鉑載量達到0.5毫克/厘米2， 10(TC干燥2小時，得 到氣體擴散電極；
(3) 將兩片上述得到的氣體擴散電極裁成5厘米X5厘米的方形，分別 夾在面積大于氣體擴散電極的nafion膜(NRE212, DUPONT公司產(chǎn)品)的 中央兩側(cè)，送入熱壓機13(TC、 2兆帕熱壓2分鐘，得到膜電極。
(4) 用電池隔板將上述膜電極夾在中間組裝成燃料電池，所述隔板內(nèi) 側(cè)分別包括陽極室和陰極室。
(5) 按照實例1中(5)的方法測定活化前的膜電極在不同放電電流密 度下的輸出電壓，不同的是增濕氫氣為40°C，相對濕度為60%增濕氫氣， 通入陽極室內(nèi)增濕氫氣的壓力為0.02兆帕，通入陰極室內(nèi)空氣的壓力為常
壓，控制電池的工作溫度為4(TC，結(jié)果如圖6中曲線16所示。 2、膜電極的活化與活化后性能測試
(1) 停止放電，向步驟1得到的燃料電池的陽極室通入增濕氫氣(40 °C、相對濕度為60%)，向陰極室中通入4(TC的去離子水；
(2) 將外電源的正極和負(fù)極分別與燃料電池的陰極和陽極連通，閉合 電源，電流密度為50毫安/厘米2，保持該電流以消耗陰極室內(nèi)殘留的氧氣， 直至電池電壓降低到0.05伏特以下，說明陰極室內(nèi)殘留的氧氣已完全被消 耗，繼續(xù)保持該電流密度，對燃料電池進行活化20分鐘；
(3) 排出陰極室內(nèi)的水，按照實例1中(5)的方法測定活化后的膜電 極在不同放電電流密度下的輸出電壓，不同的是增濕氫氣為40。C，相對濕度 為60%增濕氫氣，通入陽極室內(nèi)增濕氫氣的壓力為0.02兆帕，通入陰極室 內(nèi)空氣的壓力為常壓，控制電池的工作溫度為40°C，結(jié)果如圖6中曲線17 所示。
對比例1
該對比例說明現(xiàn)有的燃料電池膜電極的活化方法
按照實施例1的方法制備、活化燃料電池膜電極，并測定活化后的膜電 極在不同電流密度下的輸出電壓，不同的是，在對燃料電池進行活化的時候， 向燃料電池的陰極室內(nèi)通入增濕氮氣(50°C，相對濕度為100%)，活化時間 為2小時?；罨蟮娜剂想姵啬る姌O在不同電流密度下的輸出電壓的曲線如 圖7中曲線18所示。(作為對比，實施例1的活化后燃料電池膜電極在不同 電流密度下的輸出電壓的曲線如圖7中曲線19所示)
從圖3-圖6中可以看出，采用本發(fā)明提供的方法活化后的燃料電池與活 化前相比，在相同的電流密度下，活化后的燃料電池的輸出電壓明顯高于活 化前燃料電池的輸出電壓，尤其在高電流密度區(qū)(電流密度大于500毫安/
厘米2)，輸出電壓明顯升高，說明采用本發(fā)明提供的活化方法活化后的燃料 電池的功率得到顯著提高。
從圖7中可以看出，采用現(xiàn)有方法活化后的燃料電池膜電極與采用本發(fā) 明(實施例l)的活化方法活化后的燃料電池膜電極相比，在相同的測定條 件下(陽極通入溫度為7(TC，相對濕度為100%的增濕氫氣，陽極室內(nèi)壓力 為0.1兆帕，氫氣的利用率為95%;陰極通入空氣，陰極室內(nèi)壓力為0.1兆 帕，空氣利用率為40%，控制電池的工作溫度為7(TC)，在相同電流密度下， 采用本發(fā)明的方法活化后的燃料電池膜電極的輸出電壓明顯高于采用對比 例1的方法活化后的燃料電池的輸出電壓，說明采用本發(fā)明的方法活化后的 電池功率明顯高于對比例1的電池功率，此外，本發(fā)明的活化時間短。
權(quán)利要求
1、一種燃料電池膜電極的活化方法，所述燃料電池包括隔板、陽極室(4)、陰極室(5)和膜電極，所述膜電極位于隔板之間，所述膜電極包括陽極(1)、陰極(2)及位于陽極(1)和陰極(2)之間的質(zhì)子交換膜(3)，所述陽極室(4)位于陽極(1)和隔板之間，所述陰極室(5)位于陰極(2)和隔板之間，該方法包括分別將電源的正極和負(fù)極與燃料電池的陽極(1)和陰極(2)連接，在燃料電池上施加一外電源，在閉合電源前向陽極室(4)中通入燃料，其特征在于，向陰極室(5)中通入水。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述水為去離子水。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述燃料為氫氣、醇、醇的水 溶液，有機酸、有機酸的水溶液中的一種；所述醇選自甲醇、乙醇、丙醇、 異丙醇中的一種或幾種，所述有機酸選自甲酸、乙酸、丙酸中的一種或幾種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述氫氣為增濕的氫氣。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述氫氣的相對濕度為50-100%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外電源的電流密度為1-500 毫安/厘米2。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述外電源的電流密度為25-300 毫安/厘米2。
全文摘要
燃料電池膜電極的活化方法，所述燃料電池包括隔板、陽極室4、陰極室5和膜電極，所述膜電極位于隔板之間，所述膜電極包括陽極1，陰極2及位于陽極1和陰極2之間的質(zhì)子交換膜3，所述陽極室4位于陽極1和隔板之間，所述陰極室5位于陰極2和隔板之間，該方法包括分別將電源的正極和負(fù)極與燃料電池的陽極1和陰極2連接，在燃料電池上施加一外電源，在閉合電源前向陽極室4中通入燃料，其中，向陰極室5中通入水。采用本發(fā)明提供的方法活化后的膜電極的活性面積得到顯著提高，因此，燃料電池的功率得到顯著提供。此外，本發(fā)明的活化方法操作簡單，活化時間短，重復(fù)性好。
文檔編號H01M8/02GK101098009SQ20061009075
公開日2008年1月2日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者楊新勝, 董俊卿 申請人:比亞迪股份有限公司