一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法
【专利摘要】本发明公开了一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，步骤为：将初装完成的电池堆安装在活化台上，检测气密性；在电池堆的阴极和阳极均通入N2，吹扫；设定工作温度；阴极通入RH 80％增湿的空气，阳极通入不增湿的H2，常排，气体压力为60?100KPa；利用负载对电池堆加载电流，空气和H2的化学计量比分别是3.5和1.5；将空气和H2的化学计量比分别设定成3.0和1.5，在最高电流下持续运行30min；快速降低电流至0A，断开电路，通入冷却水冷却电池堆，将电池堆冷却到室温，然后对初装的电池堆进行二次紧固，使电池堆的压缩量达到设定的技术指标。本发明可以简便快速的活化燃料电池电堆至最佳状态。
【专利说明】
一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法。
【背景技术】
[0002] 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种电化学反应装置，可以直接、高效地将反应物 的化学能转化为电能。质子交换膜燃料电池具有能量密度高、转换效率高、质量轻、响应速 度快、体积小等特点，同时因采用固体电解质而具备更好的稳定性，电池工作温度较低，因 此成为新一代车用电源、固定电源和便携式电源的研究热点。
[0003] PEMFC主要由双极板、多孔传质层和膜电极组成。其中膜电极由质子交换膜和两面 涂有催化剂的电极组成。电极的外边则是有利于气体均匀扩散的气体扩散层。将膜电极用 带有流道的石墨板或金属板装夹起来便组成了单电池，石墨板与气体扩散层之间还配有对 应的密封圈，用来保证电池的气密性。燃料电池电堆就是多个单电池层叠串联起来后，两端 加上集流板和端板后用螺栓或者是捆绑的方式组成一个电堆。
[0004] PEMFC的基本原理是氢气和氧气电化学反应生成水，同时通过外电路源源不断地 输出电能。阳极反应和阴极反应分别如下所示：
[0005]
[0006]
[0007] 阳极反应生成的质子通过质子交换膜从阳极传递到阴极，电子经外部电路负载由 阳极运动到阴极。
[0008] 通过上述反应，氢气和氧气被消耗，相应的化学能转化为电能。同时，反应产生热 能和水，水通过电极流场随反应的尾气排出。
[0009] 质子交换膜燃料电池电堆在装配完成后并不会直接使用，需要先对电堆进行活 化，提高膜电极中催化剂的活性和利用率，使燃料电池电堆发挥出最佳的工作状态和性能， 满足电堆的使用标准和要求。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种质子交换膜燃料电池 电堆的活化方法，本发明的方法可以简便快速的活化燃料电池电堆至最佳状态，使电堆尽 快达到最佳的工作性能，该发明适用于活化多种功率级别的电堆，可以适用于单电池到数 十千瓦级别的电堆，减少了电堆生产和开发成本，提高了生产效率和进度，可满足电堆大规 模商业化生产的需求。
[0011] 本发明的技术方案的原理为:在燃料电池的阴极和阳极分别通入增湿的空气和不 增湿的H2,利用电源负载对电堆的加载电流，逐步阶段性地增加和降低加载电流，并根据电 流大小改变阴阳极气体和化学计量比，从而提高膜电极中催化剂的活性和利用率，使电堆 达到最佳的工作性能。
[0012] 为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
[0013] -种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤一:将初装完成的电池堆安装在活化台上，连接气体和冷却水管道，检测气密 性；
[0015] 步骤二:在电池堆的阴极和阳极均通入N2,对电池堆进行吹扫；
[0016] 步骤三:设定电池堆的工作温度，温度在60_80°C之间；
[0017] 步骤四：在电池堆的阴极通入RH 80%增湿的空气，阳极通入不增湿的H2,气体不 循环利用，即采用常排方式，气体压力为60-100KPa;
[0018] 步骤五:利用负载对电池堆加载电流，空气和出的化学计量比分别是3.5和1.5,加 载电流的方式为：由0A逐步加载至100A，加载频率为10A，每个电流下持续时间为0.5min,并 且在100A下运行15min，再快速将电流降至0A;然后由0A加载至200A，加载频率为10A，并且 在200A持续运行20min后，将电流快速降至0A;
[0019] 步骤六:将空气和出的化学计量比分别设定成3.0和1.5，加载电流的方式为：由0A 逐步加载至200A，加载频率为20A，然后再继续由200A加载至300A，加载频率为10A，在300A 下持续运彳丁20min;然后由300A加载至最尚电流，加载频率为10A，在最尚电流下持续运行 30min；
[0020] 步骤七:快速降低电流至0A，断开电路，通入冷却水冷却电池堆，将电池堆冷却到 室温，然后对初装的电池堆进行二次紧固，使电池堆的压缩量达到设定的技术指标；
[0021] 步骤八:检验电池堆的性能指标，如果未达标，对电池堆通电，电流从0A加载至最 高电流，加载频率为20A，在最高电流下持续运行，完成电堆活化。
[0022] 进一步优选地，步骤六中，最高电流为400A，在400A下运行30min。
[0023] 进一步优选地，步骤六中，将电流加载至400A时，单电池电压>0.4V，使膜电极不 受损害。
[0024]进一步优选地，步骤三中，设定燃料电池堆的工作温度为60_80°C。
[0025] 进一步优选地，活化方法还适应于对单电池活化，单电池的活性面积为250cm2。
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] (1)本发明的质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，方法操作简单，简便快速;通 常可在2小时左右完成电堆的活化，极大地缩短了电堆的活化时间，减少了电堆的生产成 本，提高了生产效率和进度，可满足电堆大规模商业化生产的需求。
[0028] (2)本发明方法可以实时监控电堆的性能，保护电堆，避免对电堆产生不可逆的损 害，使电池堆发挥最佳的工作性能。
[0029] (3)本发明方法适用于活化多种功率级别的电堆，从单电池到数十千瓦级别的电 堆，实用性很强。
[0030] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。 本发明的【具体实施方式】由以下实施例及其附图详细给出。
【附图说明】
[0031] 为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中 所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实 施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。
[0032]图1为本发明实施例1中单电池活化前后的V-I曲线；
[0033]图2为本发明实施例2中20节电堆活化后的V-I和P-Ι曲线；
[0034]图3为本发明实施例3中130节电堆活化后的V-I和P-Ι曲线；
[0035]图4为本发明实施例3在恒电流下的电压-时间曲线。
【具体实施方式】
[0036]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。
[0037] 实施例1
[0038]实施例1中公开了一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，包括以下步骤：
[0039]步骤一:在单电池的阴极和阳极均通入N2,对单电池进行吹扫。
[0040]步骤二:设定单电池的工作温度为60°C。
[0041]步骤三:在单电池的阴极通入RH 80%增湿的空气，阳极通入不增湿的H2,常排，气 体压力为60KPa。
[0042] 步骤四：利用负载对单电池加载电流，空气和出的化学计量比分别是3.5和1.5，加 载电流的方式为：由0A逐步加载至100A，加载频率为10A，每个电流下持续时间为0.5min,并 且在100A下运行15min，再快速将电流降至0A;然后由0A加载至200A，加载频率为10A，并且 在200A持续运行20min后，将电流快速降至0A;
[0043] 步骤五:将空气和出的化学计量比分别设定成3.0和1.5，加载电流的方式为：由0A 逐步加载至200A，加载频率为20A，然后再继续由200A加载至300A，加载频率为10A，在300A 下持续运行20min;然后由300A加载至400A，加载频率为10A，在400A下持续运行30min;
[0044] 步骤六:快速降低电流至0A，断开电路，通入冷却水冷却单电池，将单电池冷却到 室温，然后对初装的单电池进行二次紧固，使单电池的压缩量达到设定的技术指标。
[0045] 上述步骤四中，由0A逐步加载至100A，加载频率为10A，其中加载频率为10A的意思 是指，从0A每次间隔10A等差加载至100A，在其它实施例中的加载频率也如此。
[0046]实施例1以单电池活化为例，单电池的活性面积为250cm2,单电池活化完成后，测 定该节电池的V-I曲线，见图1所示，对比了单电池活化前后的V-I曲线，电池的活化效果非 常明显。
[0047] 实施例2
[0048]实施例2对20节燃料电池电堆进行活化，具体步骤为：
[0049] 实施例2中公开了一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，包括以下步骤：
[0050] 步骤一:将初装完成的电池堆安装在活化台上，连接气体和冷却水管道，检测气密 性。
[0051] 步骤二:在电池堆的阴极和阳极均通入N2,对电池堆进行吹扫。
[0052]步骤三:设定电池堆的工作温度为70 °C。
[0053]步骤四：在电池堆的阴极通入RH 80%增湿的空气，阳极通入不增湿的H2,常排，气 体压力为80KPa。
[0054]步骤五:利用负载对电池堆加载电流，空气和出的化学计量比分别是3.5和1.5,加 载电流的方式为：由0A逐步加载至100A，加载频率为10A，每个电流下持续时间为0.5min,并 且在100A下运行15min，再快速将电流降至0A;然后由0A加载至200A，加载频率为10A，并且 在200A持续运行20min后，将电流快速降至0A;
[0055]步骤六:将空气和出的化学计量比分别设定成3.0和1.5，加载电流的方式为：由0A 逐步加载至200A，加载频率为20A，然后再继续由200A加载至300A，加载频率为10A，在300A 下持续运行20min;然后由300A加载至400A，加载频率为10A，在400A下持续运行30min;
[0056] 步骤七:快速降低电流至0A，断开电路，通入冷却水冷却电池堆，将电池堆冷却到 室温，然后对初装的电池堆进行二次紧固，使电池堆的压缩量达到设定的技术指标。
[0057]实施例2与实施例1不同之处为:随着电池堆的电池节数增加，功率增大。20节电堆 活化后的v-?和P-Ι曲线见图2所示。活化后的燃料电池电堆极化曲线非常平顺，性能良好。 [0058] 实施例3
[0059 ]实施例3活化130节燃料电池电堆，具体方法包括：
[0060] 步骤一:将初装完成的电池堆安装在活化台上，连接气体和冷却水管道，检测气密 性。
[0061] 步骤二:在电池堆的阴极和阳极均通入N2,对电池堆进行吹扫。
[0062]步骤三:设定电池堆的工作温度为80°C。
[0063]步骤四：在电池堆的阴极通入RH 80%增湿的空气，阳极通入不增湿的H2,常排，气 体压力为lOOKPa。
[0064] 步骤五:利用负载对电池堆加载电流，空气和出的化学计量比分别是3.5和1.5,加 载电流的方式为：由0A逐步加载至100A，加载频率为10A，每个电流下持续时间为0.5min,并 且在100A下运行15min，再快速将电流降至0A;然后由0A加载至200A，加载频率为10A，并且 在200A持续运行20min后，将电流快速降至0A;
[0065] 步骤六:将空气和出的化学计量比分别设定成3.0和1.5，加载电流的方式为：由0A 逐步加载至200A，加载频率为20A，然后再继续由200A加载至300A，加载频率为10A，在300A 下持续运行20min;然后由300A加载至400A，加载频率为10A，在400A下持续运行30min;
[0066] 步骤七:快速降低电流至0A，断开电路，通入冷却水冷却电池堆，将电池堆冷却到 室温，然后对初装的电池堆进行二次紧固，使电池堆的压缩量达到设定的技术指标。
[0067] 活化后的电池堆的V-I和P-Ι曲线见图3所示。活化后的电堆在额定电流150A下持 续运行2h，记录电压-时间曲线，见图4所示，活化后的电堆性能很稳定。
[0068] 上述实施例1-3中，对活化后的单电池或者电池堆进行性能指标测试，如果未达到 指标，对电池堆通电，电流从0A加载至最高电流(400A)，加载频率为20A，在最高电流下持续 运行，完成电堆活化。
[0069]并且在上述实施例1-3中，加载到最高电流时，确保单电池的电压大于0.4V，保护 膜电极不受损害。
[0070]通过实施例1-3可以看出，使用该发明中简便快速的活化方法，可对不同功率级别 的电堆进行快速活化，活化后的电堆发挥出优异的工作性能，电堆性能稳定，有效地提高了 生产效率和进度。
[0071]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一:将初装完成的电池堆安装在活化台上，连接气体和冷却水管道，检测气密性； 步骤二:在电池堆的阴极和阳极均通入N2，对电池堆进行吹扫； 步骤三:设定电池堆的工作温度，温度在60-80 °C之间； 步骤四：在电池堆的阴极通入RH 80%增湿的空气，阳极通入不增湿的H2,气体不循环利 用，即采用常排方式，气体压力为60-100KPa; 步骤五:利用负载对电池堆加载电流，空气和出的化学计量比分别是3.5和1.5,加载电 流的方式为：由OA逐步加载至100A，加载频率为10A，每个电流下持续时间为0.5min，并且在 100A下运行15min，再快速将电流降至0A;然后由OA加载至200A，加载频率为10A，并且在 200A持续运行20min后，将电流快速降至0A; 步骤六:将空气和出的化学计量比分别设定成3.0和1.5，加载电流的方式为：由OA逐步 加载至200A，加载频率为20A，然后再继续由200A加载至300A，加载频率为IOA，在300A下持 续运行20min;然后由300A加载至最高电流，加载频率为IOA，在最高电流下持续运行30min; 步骤七:快速降低电流至OA，断开电路，通入冷却水冷却电池堆，将电池堆冷却到室温， 然后对初装的电池堆进行二次紧固，使电池堆的压缩量达到设定的技术指标； 步骤八:检验电池堆的性能指标，如果未达标，对电池堆通电，电流从OA加载至最高电 流，加载频率为20A，在最高电流下持续运行，完成电堆活化。2. 根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，步骤六 中，最高电流为400A，在400A下运行30min。3. 根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，步骤六 中，将电流加载至400A时，单电池电压> 0.4V，使膜电极不受损害。4. 根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，步骤三 中，设定燃料电池堆的工作温度为60°C。5. 根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆的活化方法，其特征在于，活化方法 还适应于对单电池活化，单电池的活性面积为250cm 2。
【文档编号】H01M8/04225GK105895938SQ201610519404
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】顾荣鑫, 靳宏建, 张超, 杨凤银, 管俊生
【申请人】弗尔赛（上海）能源科技有限公司