一種質子交換膜燃料電池電堆的活化方法
【專利摘要】本發明公開了一種質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的化學計量比分別是3.5和1.5；將空氣和H2的化學計量比分別設定成3.0和1.5，在最高電流下持續運行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定的技術指標。本發明可以簡便快速的活化燃料電池電堆至最佳狀態。
【專利說明】
一種質子交換膜燃料電池電堆的活化方法
技術領域
[0001] 本發明涉及燃料電池領域，具體涉及一種質子交換膜燃料電池電堆的活化方法。
【背景技術】
[0002] 質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種電化學反應裝置，可以直接、高效地將反應物 的化學能轉化為電能。質子交換膜燃料電池具有能量密度高、轉換效率高、質量輕、響應速 度快、體積小等特點，同時因采用固體電解質而具備更好的穩定性，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、多孔傳質層和膜電極組成。其中膜電極由質子交換膜和兩面 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反應生成水，同時通過外電路源源不斷地 輸出電能。陽極反應和陰極反應分別如下所示：
[0005]
[0006]
[0007] 陽極反應生成的質子通過質子交換膜從陽極傳遞到陰極，電子經外部電路負載由 陽極運動到陰極。
[0008] 通過上述反應，氫氣和氧氣被消耗，相應的化學能轉化為電能。同時，反應產生熱 能和水，水通過電極流場隨反應的尾氣排出。
[0009] 質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，使燃料電池電堆發揮出最佳的工作狀態和性能， 滿足電堆的使用標準和要求。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的在于克服現有技術存在的以上問題，提供一種質子交換膜燃料電池 電堆的活化方法，本發明的方法可以簡便快速的活化燃料電池電堆至最佳狀態，使電堆盡 快達到最佳的工作性能，該發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 十千瓦級別的電堆，減少了電堆生產和開發成本，提高了生產效率和進度，可滿足電堆大規 模商業化生產的需求。
[0011] 本發明的技術方案的原理為: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，并根據電 流大小改變陰陽極氣體和化學計量比，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] 為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：
[0013] -種質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持續運行20min后，將電流快速降至0A;
[0019] 步驟六:將空氣和出的化學計量比分別設定成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，然后再繼續由200A加載至300A，加載頻率為10A，在300A 下持續運彳丁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定的技術指標；
[0021] 步驟八:檢驗電池堆的性能指標，如果未達標，對電池堆通電，電流從0A加載至最 高電流，加載頻率為20A，在最高電流下持續運行，完成電堆活化。
[0022] 進一步優選地，步驟六中，最高電流為400A，在400A下運行30min。
[0023] 進一步優選地，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]進一步優選地，步驟三中，設定燃料電池堆的工作溫度為60_80°C。
[0025] 進一步優選地，活化方法還適應于對單電池活化，單電池的活性面積為250cm2。
[0026] 本發明的有益效果是：
[0027] (1)本發明的質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 常可在2小時左右完成電堆的活化，極大地縮短了電堆的活化時間，減少了電堆的生產成 本，提高了生產效率和進度，可滿足電堆大規模商業化生產的需求。
[0028] (2)本發明方法可以實時監控電堆的性能，保護電堆，避免對電堆產生不可逆的損 害，使電池堆發揮最佳的工作性能。
[0029] (3)本發明方法適用于活化多種功率級別的電堆，從單電池到數十千瓦級別的電 堆，實用性很強。
[0030] 上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段， 并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。 本發明的【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明實施例技術中的技術方案，下面將對實施例技術描述中 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明的一些實 施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖 獲得其他的附圖。
[0032]圖1為本發明實施例1中單電池活化前后的V-I曲線；
[0033]圖2為本發明實施例2中20節電堆活化后的V-I和P-Ι曲線；
[0034]圖3為本發明實施例3中130節電堆活化后的V-I和P-Ι曲線；
[0035]圖4為本發明實施例3在恒電流下的電壓-時間曲線。
【具體實施方式】
[0036]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0037] 實施例1
[0038]實施例1中公開了一種質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持續運行20min后，將電流快速降至0A;
[0043] 步驟五:將空氣和出的化學計量比分別設定成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，然后再繼續由200A加載至300A，加載頻率為10A，在300A 下持續運行20min;然后由300A加載至400A，加載頻率為10A，在400A下持續運行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定的技術指標。
[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持續運行20min后，將電流快速降至0A;
[0055]步驟六:將空氣和出的化學計量比分別設定成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，然后再繼續由200A加載至300A，加載頻率為10A，在300A 下持續運行20min;然后由300A加載至400A，加載頻率為10A，在400A下持續運行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定的技術指標。
[0057]實施例2與實施例1不同之處為:隨著電池堆的電池節數增加，功率增大。20節電堆 活化后的v-?和P-Ι曲線見圖2所示。活化后的燃料電池電堆極化曲線非常平順，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持續運行20min后，將電流快速降至0A;
[0065] 步驟六:將空氣和出的化學計量比分別設定成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，然后再繼續由200A加載至300A，加載頻率為10A，在300A 下持續運行20min;然后由300A加載至400A，加載頻率為10A，在400A下持續運行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定的技術指標。
[0067] 活化后的電池堆的V-I和P-Ι曲線見圖3所示。活化后的電堆在額定電流150A下持 續運行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測試，如果未達到 指標，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 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，活化后的電堆發揮出優異的工作性能，電堆性能穩定，有效地提高了 生產效率和進度。
[0071]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術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明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明 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。
【主權項】
1. 一種質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持續運行20min后，將電流快速降至0A; 步驟六:將空氣和出的化學計量比分別設定成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，然后再繼續由200A加載至300A，加載頻率為IOA，在300A下持 續運行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定的技術指標； 步驟八:檢驗電池堆的性能指標，如果未達標，對電池堆通電，電流從OA加載至最高電 流，加載頻率為20A，在最高電流下持續運行，完成電堆活化。2. 根據權利要求1所述的質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. 根據權利要求2所述的質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. 根據權利要求1所述的質子交換膜燃料電池電堆的活化方法，其特征在于，步驟三 中，設定燃料電池堆的工作溫度為60°C。5. 根據權利要求1所述的質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