一种燃料电池电堆的快速活化方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆的快速活化方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)具有工作温度低、零排放、高功率密度和高效率等优点，在交通运输领域备受关注。由于在生产过程中的杂质污染等因素，新生产的燃料电池性能太低，不能满足实际使用要求。因此在电堆组装到燃料电池系统正常使用之前，需要进行活化，使燃料电池达到最佳输出性能。
3.通常在活化过程中，电堆的性能逐渐提高并达到稳定，但是这个过程通常需要几个小时甚至几天的时间，这不仅增加了气体的消耗，还限制了生产效率，成为燃料电池电堆成本较高的原因之一。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种燃料电池电堆的快速活化方法，旨在解决现有技术活化时间长、耗气量大等问题。
5.本发明实施例是这样实现的，一种燃料电池电堆的快速活化方法，包括如下步骤：
6.(1)对电堆进行浸润，具体方法为：电堆升温至第一预设温度，阴阳极通入加湿氮气，露点温度为第二预设温度，通气一段时间；所述第二预设温度高于所述第一预设温度；
7.(2)电堆升温至第三预设温度，阳极通入加湿氢气，阴极通入加湿空气，其中氢气的相对湿度为第一相对湿度，空气的相对湿度等于氢气的相对湿度；
8.以第一加载速度将电堆加载到第一电流密度，恒流第一预设时间，随后继续以第一加载速度将电堆加载到第二电流密度，恒流第二预设时间；步骤(2)过程中的氢气计量比为第一计量比，空气计量比为第二计量比；然后，以第一降载速度将电堆的电流降为零，电流降为零后保持第三预设时间；
9.(3)以第二加载速度将电堆加载到第三电流密度，恒流第四预设时间，随后继续以第二加载速度将电堆加载到第四电流密度，恒流第五预设时间；步骤(3)过程中的氢气计量比为第三计量比，空气计量比为第四计量比；然后以第二降载速度将电堆的电流降至第五电流密度，在第五电流密度下，使电堆阴极欠气，然后以第二降载速度将电堆的电流降为零；
10.(4)重复步骤(3)若干次，完成对燃料电池电堆的快速活化，提高性能；
11.步骤(3)中所述的使电堆阴极欠气，具体方法为：在恒流模式下，迅速降低空气计量比，使电堆平均单体电压降至第一电压值，保持10～30s后，恢复空气供应，并继续恒流运行直至电压稳定。
12.步骤(3)中的欠气过程则是利用氧化剂匮乏，在阴极产生还原条件，有利于去除阴极杂质和氧化物。
13.进一步的，步骤(1)所述的第一预设温度为40～60℃，优选为45～55℃。第二预设
温度比第一预设温度高5～10℃。加湿氮气的露点温度(第二预设温度)高于堆温(第一预设温度)，当加湿氮气进入电堆后会产生冷凝效果，可以快速使电堆内部湿润。
14.进一步的，步骤(1)所述的浸润过程中，使用内阻仪对电堆的内阻进行测试，所述的通气一段时间由电堆内阻值决定，当内阻不再降低时停止通气。润湿过程中检测电堆内阻以判断润湿效果，可以有效缩短润湿时间。
15.进一步的，步骤(2)所述的第三预设温度为60～80℃。
16.进一步的，步骤(2)所述的第一相对湿度为30％～80％，优选为40％～60％。
17.进一步的，步骤(2)所述的第一加载速度为5～10a/s，所述的第一降载速度为10～20a/s。
18.进一步的，步骤(2)所述的第一电流密度为0.1～0.3a/cm2，所述的第二电流密度为2.3～2.6a/cm2。
19.进一步的，步骤(2)所述的第一预设时间为1～5min，所述的第二预设时间等于第一预设时间，所述的第三预设时间为1～3min。
20.进一步的，步骤(2)所述的第一计量比为1.5～2.0，所述的第二计量比为1.8～2.5。
21.进一步的，步骤(3)所述的第二加载速度为10～20a/s，所述的第二降载速度为10～20a/s。
22.进一步的，步骤(3)所述的第三电流密度等于第一电流密度，所述的第四电流密度等于第二电流密度，所述的第五电流密度为0.6～1.2a/cm2。
23.进一步的，步骤(3)所述的第四预设时间为1～5min，所述的第五预设时间等于第四预设时间。
24.进一步的，步骤(3)所述的第三计量比等于第一计量比，所述的第四计量比等于第二计量比。
25.进一步的，步骤(3)所述的迅速降低空气计量比，此处的迅速降低的时间为1s-2s。
26.进一步的，步骤(3)中欠气过程所述的第一电压值为0.05～0.1v。
27.进一步的，步骤(4)中所述活化完成的标志为：对比相邻两次步骤(3)中阴极欠气后电堆的电压值，直到电压差值小于或等于5mv。
28.相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
29.1.首先步骤(1)中向电堆阴阳极通入加湿氮气，且氮气的露点温度高于堆温，当加湿氮气进入电堆后会产生冷凝效果，可以快速使电堆内部湿润；润湿过程中检测电堆内阻以判断润湿效果，可以有效缩短润湿时间。
30.2.其次，通过步骤(2)和步骤(3)中的反复拉载，使电堆在高电位和低电位之间快速循环，有效促进三相界面的构建和催化剂细微形态的变化。此外，大电流下产生的水可以进一步润湿电堆，使质子膜和催化层达到良好的水合状态。
31.3.步骤(3)中的欠气过程则是利用氧化剂匮乏，在阴极产生还原条件，有利于去除阴极杂质和氧化物。
32.本发明所述活化方法有针对性地对电堆性能进行调控，相比于现有技术，活化效率大大提高，降低了活化能耗和生产成本。
附图说明
33.图1为常规活化和实施例中快速活化后性能对比图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
36.目前，现有的燃料电池电堆的活化存在以下缺点：活化时间长、耗气量大。为了解决上述技术问题，本发明提出了一种燃料电池电堆的快速活化方法。
37.实施例一
38.实施例所用的质子交换膜燃料电池电堆，由12片单电池组成，膜电极有效面积为307cm2。活化前对电堆的气密性进行检测，气密合格后按照如下步骤进行活化：
39.(1)对电堆进行浸润，具体方法为：电堆升温至50℃，阴阳极通入露点温度为55～60℃的加湿氮气，该过程使用内阻仪检测电堆的内阻，通气15～20min后，电堆内阻不再降低，完成浸润；
40.(2)电堆升温至70℃，阳极通入加湿氢气，阴极通入加湿空气，控制氢气和空气的相对湿度均为50％～55％之间；
41.以5a/s的加载速度将电堆加载到0.2a/cm2，恒流3min，随后继续以5a/s的加载速度将电堆加载到2.5a/cm2，恒流3min；此过程中的氢气计量比为1.8，空气计量比为2.0；然后，以10a/s的降载速度将电堆的电流降为零，电流降为零后保持1～3min；
42.(3)以10a/s的加载速度将电堆加载到0.2a/cm2，恒流3min，随后继续以10a/s的加载速度将电堆加载到2.5a/cm2，恒流3min；此过程中的氢气计量比为1.8，空气计量比为2.0；然后以10a/s的降载速度将电堆的电流降至1.2a/cm2，使电堆阴极欠气，然后以10a/s的降载速度将电堆的电流降为零；
43.所述的电堆阴极欠气，具体方法为：在恒流模式下，迅速降低空气计量比，使电堆平均单体电压降至0.05～0.1v，保持10～30s后立刻恢复空气供应，并继续恒流运行直至电压稳定；
44.(4)重复步骤(3)5次后，可完成活化，整体活化时间控制在1.5h以内。
45.经过快速活化工艺后，对电堆的性能进行测试，并与常规活化后电堆的性能进行对比，结果如图1所示。从图中可以看出，本发明实施例一所提供的活化方法可以达到优于传统活化的效果，且大大缩短了活化时间(1.5h以内)，降低了能耗和生产成本。
46.实施例二
47.实施例所用的质子交换膜燃料电池电堆，由12片单电池组成，膜电极有效面积为307cm2。活化前对电堆的气密性进行检测，气密合格后按照如下步骤进行活化：
48.(1)对电堆进行浸润，具体方法为：电堆升温至40℃，阴阳极通入露点温度为45～50℃的加湿氮气，该过程使用内阻仪检测电堆的内阻，通气15～20min后，电堆内阻不再降低，完成浸润；
49.(2)电堆升温至60℃，阳极通入加湿氢气，阴极通入加湿空气，控制氢气和空气的相对湿度均为40％～50％之间；
50.以5a/s的加载速度将电堆加载到0.1a/cm2，恒流1min，随后继续以5a/s的加载速度将电堆加载到2.3a/cm2，恒流1min；此过程中的氢气计量比为1.5，空气计量比为1.8；然后，以10a/s的降载速度将电堆的电流降为零，电流降为零后保持1～3min；
51.(3)以10a/s的加载速度将电堆加载到0.1a/cm2，恒流1min，随后继续以10a/s的加载速度将电堆加载到2.3a/cm2，恒流1min；此过程中的氢气计量比为1.5，空气计量比为1.8；然后以10a/s的降载速度将电堆的电流降至0.6a/cm2，使电堆阴极欠气，然后以10a/s的降载速度将电堆的电流降为零；
52.所述的电堆阴极欠气，具体方法为：在恒流模式下，迅速降低空气计量比，使电堆平均单体电压降至0.05～0.1v，保持10～30s后立刻恢复空气供应，并继续恒流运行直至电压稳定；
53.(4)重复步骤(3)6次后，可完成活化，整体活化时间控制在1.5h以内。
54.经过快速活化工艺后，对电堆的性能进行测试，并与常规活化后电堆的性能进行对比，实施例二所提供的活化方法可以达到优于传统活化的效果，且大大缩短了活化时间，降低了能耗和生产成本。
55.实施例三
56.实施例所用的质子交换膜燃料电池电堆，由12片单电池组成，膜电极有效面积为307cm2。活化前对电堆的气密性进行检测，气密合格后按照如下步骤进行活化：
57.(1)对电堆进行浸润，具体方法为：电堆升温至60℃，阴阳极通入露点温度为65～70℃的加湿氮气，该过程使用内阻仪检测电堆的内阻，通气15～20min后，电堆内阻不再降低，完成浸润；
58.(2)电堆升温至80℃，阳极通入加湿氢气，阴极通入加湿空气，控制氢气和空气的相对湿度均为55％～60％之间；
59.以10a/s的加载速度将电堆加载到0.3a/cm2，恒流5min，随后继续以10a/s的加载速度将电堆加载到2.6a/cm2，恒流5min；此过程中的氢气计量比为2.0，空气计量比为2.5；然后，以20a/s的降载速度将电堆的电流降为零，电流降为零后保持1～3min；
60.(3)以20a/s的加载速度将电堆加载到0.3a/cm2，恒流5min，随后继续以20a/s的加载速度将电堆加载到2.6a/cm2，恒流5min；此过程中的氢气计量比为2.0，空气计量比为2.5；然后以20a/s的降载速度将电堆的电流降至1.5a/cm2，使电堆阴极欠气，然后以20a/s的降载速度将电堆的电流降为零；
61.所述的电堆阴极欠气，具体方法为：在恒流模式下，迅速降低空气计量比，使电堆平均单体电压降至0.05～0.1v，再立刻恢复空气供应，并继续恒流运行直至电压稳定；
62.(4)重复步骤(3)4次后，可完成活化，整体活化时间控制在1.5h以内。
63.经过快速活化工艺后，对电堆的性能进行测试，并与常规活化后电堆的性能进行对比，实施例三所提供的活化方法可以达到优于传统活化的效果，且大大缩短了活化时间，降低了能耗和生产成本。
64.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)对电堆进行浸润，具体方法为：电堆升温至第一预设温度，阴阳极通入加湿氮气，露点温度为第二预设温度，通气一段时间；所述第二预设温度高于所述第一预设温度；(2)电堆升温至第三预设温度，阳极通入加湿氢气，阴极通入加湿空气，其中氢气的相对湿度为第一相对湿度，空气的相对湿度等于氢气的相对湿度；以第一加载速度将电堆加载到第一电流密度，恒流第一预设时间，随后继续以第一加载速度将电堆加载到第二电流密度，恒流第二预设时间；步骤(2)过程中的氢气计量比为第一计量比，空气计量比为第二计量比；然后，以第一降载速度将电堆的电流降为零，电流降为零后保持第三预设时间；(3)以第二加载速度将电堆加载到第三电流密度，恒流第四预设时间，随后继续以第二加载速度将电堆加载到第四电流密度，恒流第五预设时间；步骤(3)过程中的氢气计量比为第三计量比，空气计量比为第四计量比；然后以第二降载速度将电堆的电流降至第五电流密度，在第五电流密度下，使电堆阴极欠气，然后以第二降载速度将电堆的电流降为零；(4)重复步骤(3)若干次，完成对燃料电池电堆的快速活化，提高性能；步骤(3)中所述的使电堆阴极欠气，具体方法为：在恒流模式下，迅速降低空气计量比，使电堆平均单体电压降至第一电压值，保持10～30s后，恢复空气供应，并继续恒流运行直至电压稳定。2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：步骤(1)所述的第一预设温度为40～60℃；第二预设温度比第一预设温度高5～10℃。3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：步骤(1)所述的浸润过程中，使用内阻仪对电堆的内阻进行测试，所述的通气一段时间由电堆内阻值决定，当内阻不再降低时停止通气。4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：步骤(2)所述的第三预设温度为60～80℃。5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：步骤(2)所述的第一相对湿度为30％～80％。6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：步骤(2)所述的第一加载速度为5～10a/s，所述的第一降载速度为10～20a/s；步骤(2)所述的第一电流密度为0.1～0.3a/cm2，所述的第二电流密度为2.3～2.6a/cm2。7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：步骤(2)所述的第一预设时间为1～5min，所述的第二预设时间等于第一预设时间，所述的第三预设时间为1～3min；步骤(2)所述的第一计量比为1.5～2.0，所述的第二计量比为1.8～2.5。8.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：步骤(3)所述的第二加载速度为10～20a/s，所述的第二降载速度为10～20a/s；步骤(3)所述的第三电流密度等于第一电流密度，所述的第四电流密度等于第二电流密度，所述的第五电流密度为0.6～1.2a/cm2；步骤(3)所述的第四预设时间为1～5min，所述的第五预设时间等于第四预设时间。
9.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：步骤(3)所述的第三计量比等于第一计量比，所述的第四计量比等于第二计量比；步骤(3)中欠气过程所述的第一电压值为0.05～0.1v。10.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的快速活化方法，其特征在于：步骤(4)中所述活化完成的标志为：对比相邻两次步骤(3)中阴极欠气后电堆的电压值，直到电压差值小于或等于5mv。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池电堆的快速活化方法，属于燃料电池技术领域。所述的快速活化方法，(1)对电堆进行浸润，(2)电堆升温，阳极通入加湿氢气，阴极通入加湿空气，将电堆加载到第一电流密度，恒流后继续将电堆加载到第二电流密度，恒流后将电堆的电流降为零，电流降为零后保持第三预设时间；(3)再反复拉载，使电堆在高电位和低电位之间快速循环，使电堆阴极欠气，然后以第二降载速度将电堆的电流降为零；(4)重复步骤(3)若干次，实现对燃料电池电堆的快速活化。本发明所述活化方法有针对性地对电堆性能进行调控，相比于现有技术，活化效率大大提高，整体活化时间控制在1.5h以内，降低了活化能耗和生产成本。低了活化能耗和生产成本。低了活化能耗和生产成本。


技术研发人员：陈丹
受保护的技术使用者：深圳市雄韬电源科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/7