一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，步驟為：將初裝完成的電池堆安裝在活化臺上，檢測氣密性；在電池堆的陰極和陽極均通入N2，吹掃；設(shè)定工作溫度；陰極通入RH 80％增濕的空氣，陽極通入不增濕的H2，常排，氣體壓力為60?100KPa；利用負載對電池堆加載電流，空氣和H2的化學(xué)計量比分別是3.5和1.5；將空氣和H2的化學(xué)計量比分別設(shè)定成3.0和1.5，在最高電流下持續(xù)運行30min；快速降低電流至0A，斷開電路，通入冷卻水冷卻電池堆，將電池堆冷卻到室溫，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(shè)定的技術(shù)指標(biāo)。本發(fā)明可以簡便快速的活化燃料電池電堆至最佳狀態(tài)。
【專利說明】
一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種電化學(xué)反應(yīng)裝置，可以直接、高效地將反應(yīng)物 的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量輕、響應(yīng)速 度快、體積小等特點，同時因采用固體電解質(zhì)而具備更好的穩(wěn)定性，電池工作溫度較低，因 此成為新一代車用電源、固定電源和便攜式電源的研究熱點。
[0003] PEMFC主要由雙極板、多孔傳質(zhì)層和膜電極組成。其中膜電極由質(zhì)子交換膜和兩面 涂有催化劑的電極組成。電極的外邊則是有利于氣體均勻擴散的氣體擴散層。將膜電極用 帶有流道的石墨板或金屬板裝夾起來便組成了單電池，石墨板與氣體擴散層之間還配有對 應(yīng)的密封圈，用來保證電池的氣密性。燃料電池電堆就是多個單電池層疊串聯(lián)起來后，兩端 加上集流板和端板后用螺栓或者是捆綁的方式組成一個電堆。
[0004] PEMFC的基本原理是氫氣和氧氣電化學(xué)反應(yīng)生成水，同時通過外電路源源不斷地 輸出電能。陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)分別如下所示：
[0005]
[0006]
[0007] 陽極反應(yīng)生成的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜從陽極傳遞到陰極，電子經(jīng)外部電路負載由 陽極運動到陰極。
[0008] 通過上述反應(yīng)，氫氣和氧氣被消耗，相應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。同時，反應(yīng)產(chǎn)生熱 能和水，水通過電極流場隨反應(yīng)的尾氣排出。
[0009] 質(zhì)子交換膜燃料電池電堆在裝配完成后并不會直接使用，需要先對電堆進行活 化，提高膜電極中催化劑的活性和利用率，使燃料電池電堆發(fā)揮出最佳的工作狀態(tài)和性能， 滿足電堆的使用標(biāo)準(zhǔn)和要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池 電堆的活化方法，本發(fā)明的方法可以簡便快速的活化燃料電池電堆至最佳狀態(tài)，使電堆盡 快達到最佳的工作性能，該發(fā)明適用于活化多種功率級別的電堆，可以適用于單電池到數(shù) 十千瓦級別的電堆，減少了電堆生產(chǎn)和開發(fā)成本，提高了生產(chǎn)效率和進度，可滿足電堆大規(guī) 模商業(yè)化生產(chǎn)的需求。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案的原理為:在燃料電池的陰極和陽極分別通入增濕的空氣和不 增濕的H2,利用電源負載對電堆的加載電流，逐步階段性地增加和降低加載電流，并根據(jù)電 流大小改變陰陽極氣體和化學(xué)計量比，從而提高膜電極中催化劑的活性和利用率，使電堆 達到最佳的工作性能。
[0012] 為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0013] -種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟一:將初裝完成的電池堆安裝在活化臺上，連接氣體和冷卻水管道，檢測氣密 性；
[0015] 步驟二:在電池堆的陰極和陽極均通入N2,對電池堆進行吹掃；
[0016] 步驟三:設(shè)定電池堆的工作溫度，溫度在60_80°C之間；
[0017] 步驟四：在電池堆的陰極通入RH 80%增濕的空氣，陽極通入不增濕的H2,氣體不 循環(huán)利用，即采用常排方式，氣體壓力為60-100KPa;
[0018] 步驟五:利用負載對電池堆加載電流，空氣和出的化學(xué)計量比分別是3.5和1.5,加 載電流的方式為：由0A逐步加載至100A，加載頻率為10A，每個電流下持續(xù)時間為0.5min,并 且在100A下運行15min，再快速將電流降至0A;然后由0A加載至200A，加載頻率為10A，并且 在200A持續(xù)運行20min后，將電流快速降至0A;
[0019] 步驟六:將空氣和出的化學(xué)計量比分別設(shè)定成3.0和1.5，加載電流的方式為：由0A 逐步加載至200A，加載頻率為20A，然后再繼續(xù)由200A加載至300A，加載頻率為10A，在300A 下持續(xù)運彳丁20min;然后由300A加載至最尚電流，加載頻率為10A，在最尚電流下持續(xù)運行 30min；
[0020] 步驟七:快速降低電流至0A，斷開電路，通入冷卻水冷卻電池堆，將電池堆冷卻到 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(shè)定的技術(shù)指標(biāo)；
[0021] 步驟八:檢驗電池堆的性能指標(biāo)，如果未達標(biāo)，對電池堆通電，電流從0A加載至最 高電流，加載頻率為20A，在最高電流下持續(xù)運行，完成電堆活化。
[0022] 進一步優(yōu)選地，步驟六中，最高電流為400A，在400A下運行30min。
[0023] 進一步優(yōu)選地，步驟六中，將電流加載至400A時，單電池電壓>0.4V，使膜電極不 受損害。
[0024]進一步優(yōu)選地，步驟三中，設(shè)定燃料電池堆的工作溫度為60_80°C。
[0025] 進一步優(yōu)選地，活化方法還適應(yīng)于對單電池活化，單電池的活性面積為250cm2。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：
[0027] (1)本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，方法操作簡單，簡便快速;通 ?？稍?小時左右完成電堆的活化，極大地縮短了電堆的活化時間，減少了電堆的生產(chǎn)成 本，提高了生產(chǎn)效率和進度，可滿足電堆大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的需求。
[0028] (2)本發(fā)明方法可以實時監(jiān)控電堆的性能，保護電堆，避免對電堆產(chǎn)生不可逆的損 害，使電池堆發(fā)揮最佳的工作性能。
[0029] (3)本發(fā)明方法適用于活化多種功率級別的電堆，從單電池到數(shù)十千瓦級別的電 堆，實用性很強。
[0030] 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。 本發(fā)明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。
【附圖說明】
[0031] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例技術(shù)描述中 所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實 施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖 獲得其他的附圖。
[0032]圖1為本發(fā)明實施例1中單電池活化前后的V-I曲線；
[0033]圖2為本發(fā)明實施例2中20節(jié)電堆活化后的V-I和P-Ι曲線；
[0034]圖3為本發(fā)明實施例3中130節(jié)電堆活化后的V-I和P-Ι曲線；
[0035]圖4為本發(fā)明實施例3在恒電流下的電壓-時間曲線。
【具體實施方式】
[0036]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0037] 實施例1
[0038]實施例1中公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，包括以下步驟：
[0039]步驟一:在單電池的陰極和陽極均通入N2,對單電池進行吹掃。
[0040]步驟二:設(shè)定單電池的工作溫度為60°C。
[0041]步驟三:在單電池的陰極通入RH 80%增濕的空氣，陽極通入不增濕的H2,常排，氣 體壓力為60KPa。
[0042] 步驟四：利用負載對單電池加載電流，空氣和出的化學(xué)計量比分別是3.5和1.5，加 載電流的方式為：由0A逐步加載至100A，加載頻率為10A，每個電流下持續(xù)時間為0.5min,并 且在100A下運行15min，再快速將電流降至0A;然后由0A加載至200A，加載頻率為10A，并且 在200A持續(xù)運行20min后，將電流快速降至0A;
[0043] 步驟五:將空氣和出的化學(xué)計量比分別設(shè)定成3.0和1.5，加載電流的方式為：由0A 逐步加載至200A，加載頻率為20A，然后再繼續(xù)由200A加載至300A，加載頻率為10A，在300A 下持續(xù)運行20min;然后由300A加載至400A，加載頻率為10A，在400A下持續(xù)運行30min;
[0044] 步驟六:快速降低電流至0A，斷開電路，通入冷卻水冷卻單電池，將單電池冷卻到 室溫，然后對初裝的單電池進行二次緊固，使單電池的壓縮量達到設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)。
[0045] 上述步驟四中，由0A逐步加載至100A，加載頻率為10A，其中加載頻率為10A的意思 是指，從0A每次間隔10A等差加載至100A，在其它實施例中的加載頻率也如此。
[0046]實施例1以單電池活化為例，單電池的活性面積為250cm2,單電池活化完成后，測 定該節(jié)電池的V-I曲線，見圖1所示，對比了單電池活化前后的V-I曲線，電池的活化效果非 常明顯。
[0047] 實施例2
[0048]實施例2對20節(jié)燃料電池電堆進行活化，具體步驟為：
[0049] 實施例2中公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，包括以下步驟：
[0050] 步驟一:將初裝完成的電池堆安裝在活化臺上，連接氣體和冷卻水管道，檢測氣密 性。
[0051] 步驟二:在電池堆的陰極和陽極均通入N2,對電池堆進行吹掃。
[0052]步驟三:設(shè)定電池堆的工作溫度為70 °C。
[0053]步驟四：在電池堆的陰極通入RH 80%增濕的空氣，陽極通入不增濕的H2,常排，氣 體壓力為80KPa。
[0054]步驟五:利用負載對電池堆加載電流，空氣和出的化學(xué)計量比分別是3.5和1.5,加 載電流的方式為：由0A逐步加載至100A，加載頻率為10A，每個電流下持續(xù)時間為0.5min,并 且在100A下運行15min，再快速將電流降至0A;然后由0A加載至200A，加載頻率為10A，并且 在200A持續(xù)運行20min后，將電流快速降至0A;
[0055]步驟六:將空氣和出的化學(xué)計量比分別設(shè)定成3.0和1.5，加載電流的方式為：由0A 逐步加載至200A，加載頻率為20A，然后再繼續(xù)由200A加載至300A，加載頻率為10A，在300A 下持續(xù)運行20min;然后由300A加載至400A，加載頻率為10A，在400A下持續(xù)運行30min;
[0056] 步驟七:快速降低電流至0A，斷開電路，通入冷卻水冷卻電池堆，將電池堆冷卻到 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(shè)定的技術(shù)指標(biāo)。
[0057]實施例2與實施例1不同之處為:隨著電池堆的電池節(jié)數(shù)增加，功率增大。20節(jié)電堆 活化后的v-?和P-Ι曲線見圖2所示?；罨蟮娜剂想姵仉姸褬O化曲線非常平順，性能良好。 [0058] 實施例3
[0059 ]實施例3活化130節(jié)燃料電池電堆，具體方法包括：
[0060] 步驟一:將初裝完成的電池堆安裝在活化臺上，連接氣體和冷卻水管道，檢測氣密 性。
[0061] 步驟二:在電池堆的陰極和陽極均通入N2,對電池堆進行吹掃。
[0062]步驟三:設(shè)定電池堆的工作溫度為80°C。
[0063]步驟四：在電池堆的陰極通入RH 80%增濕的空氣，陽極通入不增濕的H2,常排，氣 體壓力為lOOKPa。
[0064] 步驟五:利用負載對電池堆加載電流，空氣和出的化學(xué)計量比分別是3.5和1.5,加 載電流的方式為：由0A逐步加載至100A，加載頻率為10A，每個電流下持續(xù)時間為0.5min,并 且在100A下運行15min，再快速將電流降至0A;然后由0A加載至200A，加載頻率為10A，并且 在200A持續(xù)運行20min后，將電流快速降至0A;
[0065] 步驟六:將空氣和出的化學(xué)計量比分別設(shè)定成3.0和1.5，加載電流的方式為：由0A 逐步加載至200A，加載頻率為20A，然后再繼續(xù)由200A加載至300A，加載頻率為10A，在300A 下持續(xù)運行20min;然后由300A加載至400A，加載頻率為10A，在400A下持續(xù)運行30min;
[0066] 步驟七:快速降低電流至0A，斷開電路，通入冷卻水冷卻電池堆，將電池堆冷卻到 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(shè)定的技術(shù)指標(biāo)。
[0067] 活化后的電池堆的V-I和P-Ι曲線見圖3所示?；罨蟮碾姸言陬~定電流150A下持 續(xù)運行2h，記錄電壓-時間曲線，見圖4所示，活化后的電堆性能很穩(wěn)定。
[0068] 上述實施例1-3中，對活化后的單電池或者電池堆進行性能指標(biāo)測試，如果未達到 指標(biāo)，對電池堆通電，電流從0A加載至最高電流(400A)，加載頻率為20A，在最高電流下持續(xù) 運行，完成電堆活化。
[0069]并且在上述實施例1-3中，加載到最高電流時，確保單電池的電壓大于0.4V，保護 膜電極不受損害。
[0070]通過實施例1-3可以看出，使用該發(fā)明中簡便快速的活化方法，可對不同功率級別 的電堆進行快速活化，活化后的電堆發(fā)揮出優(yōu)異的工作性能，電堆性能穩(wěn)定，有效地提高了 生產(chǎn)效率和進度。
[0071]對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一:將初裝完成的電池堆安裝在活化臺上，連接氣體和冷卻水管道，檢測氣密性； 步驟二:在電池堆的陰極和陽極均通入N2，對電池堆進行吹掃； 步驟三:設(shè)定電池堆的工作溫度，溫度在60-80 °C之間； 步驟四：在電池堆的陰極通入RH 80%增濕的空氣，陽極通入不增濕的H2,氣體不循環(huán)利 用，即采用常排方式，氣體壓力為60-100KPa; 步驟五:利用負載對電池堆加載電流，空氣和出的化學(xué)計量比分別是3.5和1.5,加載電 流的方式為：由OA逐步加載至100A，加載頻率為10A，每個電流下持續(xù)時間為0.5min，并且在 100A下運行15min，再快速將電流降至0A;然后由OA加載至200A，加載頻率為10A，并且在 200A持續(xù)運行20min后，將電流快速降至0A; 步驟六:將空氣和出的化學(xué)計量比分別設(shè)定成3.0和1.5，加載電流的方式為：由OA逐步 加載至200A，加載頻率為20A，然后再繼續(xù)由200A加載至300A，加載頻率為IOA，在300A下持 續(xù)運行20min;然后由300A加載至最高電流，加載頻率為IOA，在最高電流下持續(xù)運行30min; 步驟七:快速降低電流至OA，斷開電路，通入冷卻水冷卻電池堆，將電池堆冷卻到室溫， 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(shè)定的技術(shù)指標(biāo)； 步驟八:檢驗電池堆的性能指標(biāo)，如果未達標(biāo)，對電池堆通電，電流從OA加載至最高電 流，加載頻率為20A，在最高電流下持續(xù)運行，完成電堆活化。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，其特征在于，步驟六 中，最高電流為400A，在400A下運行30min。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，其特征在于，步驟六 中，將電流加載至400A時，單電池電壓> 0.4V，使膜電極不受損害。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，其特征在于，步驟三 中，設(shè)定燃料電池堆的工作溫度為60°C。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的活化方法，其特征在于，活化方法 還適應(yīng)于對單電池活化，單電池的活性面積為250cm 2。
【文檔編號】H01M8/04225GK105895938SQ201610519404
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年7月5日
【發(fā)明人】顧榮鑫, 靳宏建, 張超, 楊鳳銀, 管俊生
【申請人】弗爾賽（上海）能源科技有限公司