一种快速激活质子交换膜燃料电池的方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种快速激活质子交换膜燃料电池的方法。

背景技术：

燃料电池作为一种清洁环保、能量密度高的电化学装置，是实现氢经济的重要一环。近些年来，随着能源问题、环保问题日益凸显，燃料电池作为一种可能的解决方式，在世界范围都兴起了研究的热潮。西方发达国家已经在燃料电池技术领域实现了许多突破，已经逐步走向了商业化的道路。目前，我国无论政府、高校还是企业，都对燃料电池表现出了前所未有的热情，力求以此来解决当前能源结构所带来的问题。目前在燃料电池的研究以及商业化中，质子交换膜燃料电池都占据了主导地位。

燃料电池的核心反应部件是膜电极。燃料在膜电极阳极侧被氧化，氧化剂在阴极侧被还原。以氢氧质子交换膜燃料电池为例，阳极：h2→2h⁺+2e^-，阴极：0.5o2+2h⁺+e^-→h2o，总反应：h2+0.5o2＝＝h2o。目前燃料电池的阴阳电极都需要有催化剂来保证电极反应能够以可接受的速度进行，其中商用的以pt催化剂为主。从催化剂喷涂至质子交换膜到膜电极被用来组装成电堆往往会有较长的时间间隔，期间催化剂往往会不可避免的接触到co等空气中的污染物，从而导致pt催化剂被氧化，失去催化电极反应的能力。另外，质子交换膜内部传输质子时需要水的参与，而质子交换膜实际开始应用时往往处于比较干燥的状态，从而导致质子传输能力变差。基于以上两个原因，质子交换膜燃料电池在装堆完成到实际使用之前以及间隔一段时间使用之前都要有一个“活化”的过程，及激活电堆性能的过程。

专利cn201610061662公布了一种加速燃料电池活化的方法，即在燃料电池阴极侧通入空气并进行强制放电处理；专利jp2006192709中提出了让燃料电池在预先设定的不同电压下恒电压运行来进行活化；专利cn200610127612声明了一种让燃料电池变电流密度运行来进行活化的方法。国内外还有很多其它的关于燃料电池活化的专利。这些专利中的方法一般都涉及以下两个缺点：一是整个活化流程所需要的时间比较长，一般有几到十几个小时，在进行电堆批量化生产时会产生巨额的时间和氢气成本；二是活化操作的流程较为复杂，不便于自动化进行和由客户自主进行操作。尤其是阴极开放式空冷燃料电池电堆，在使用过程中经常需要进行激活的流程，所以更加需要一种能够快速有效地激活电堆性能的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种快速激活质子交换膜燃料电池的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种快速激活质子交换膜燃料电池的方法，包括以下步骤：

步骤一、让质子交换膜燃料电池电堆处于额定功率5％-30％的带载状态，然后打开燃料的进出阀门；

步骤二、等待3-10s后通入氧化剂，运行3-60s；

步骤三、按照步长为额定功率的5％-30％逐步加载到额定功率的5％-90％，每个步长之间间隔为3-60s；

步骤四、采取方式将燃料电池电堆的单片阴极侧电势降到0.1v以下，并维持0.05-60s；

步骤五、恢复燃料电池电堆至额定工作点功率的95％-120％，运行5-60s；

步骤六、重复步骤四和步骤五的操作次数≥1。

作为本发明进一步的效果是：在步骤四中，采取的方式有短路、停止氧化剂供应、通入氮气、停机用电源强制放电。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对质子交换膜燃料电池性能衰减的本质提出了普适的根本性的激活和恢复方法，即降低燃料电池阴极侧的电势，进而可以有很多种方式可以实现降低燃料电池的阴极电势，所以可选择性、可操作性和便捷性都大大增加；

2、本发明采用的在正常状态和阴极电势较低的状态下交替运行的方法可以实现质子交换膜燃料电池活化和激活的快速实现，一般只需要半个小时左右，相比传统的方法大大提高了效率；

3、由于本发明的方法快速便捷，所以可以结合到燃料电池的控制系统中，从而实现在每次的电堆启动中都实现一次性能的恢复和激活，从而提高整个运行期间的性能的能量利用率，尤其是对于阴极开放式空冷电堆这种性能衰减较快的尤为适用。

附图说明

图1为本发明实施例1在800w阴极开放式空冷电堆上的应用结果图；

图2为本发明实施例2在800w阴极开放式空冷电堆上的应用示意图；

图3为本发明实施例2在800w阴极开放式空冷电堆上的应用示意图；

图4为本发明实施例2在800w阴极开放式空冷电堆上的应用示意图。

具体实施方式

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做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。

实施例1：

请参阅图1，一种快速激活质子交换膜燃料电池的方法，包括以下步骤：

步骤一、让质子交换膜燃料电池电堆处于额定功率5％的带载状态，然后打开燃料的进出阀门；

步骤二、等待3s后通入氧化剂，运行3s；

步骤三、按照步长为额定功率的5％％逐步加载到额定功率的5％，每个步长之间间隔为3s；

步骤四、采取方式将燃料电池电堆的单片阴极侧电势降到0.1v以下，并维持0.05s；

步骤五、恢复燃料电池电堆至额定工作点功率的95％，运行5s；

步骤六、重复步骤四和步骤五的操作次数≥1。

在步骤四中，采取的方式有短路、停止氧化剂供应、通入氮气、停机用电源强制放电。

实施例2：

请参阅图2，一种快速激活质子交换膜燃料电池的方法，包括以下步骤：

步骤一、让质子交换膜燃料电池电堆处于额定功率30％的带载状态，然后打开燃料的进出阀门；

步骤二、等待10s后通入氧化剂，运行60s；

步骤三、按照步长为额定功率的30％逐步加载到额定功率的90％，每个步长之间间隔为60s；

步骤四、采取方式将燃料电池电堆的单片阴极侧电势降到0.1v以下，并维持60s；

步骤五、恢复燃料电池电堆至额定工作点功率的120％，运行60s；

步骤六、重复步骤四和步骤五的操作次数≥1。

在步骤四中，采取的方式有短路、停止氧化剂供应、通入氮气、停机用电源强制放电。

实施例3：

请参阅图3，一种快速激活质子交换膜燃料电池的方法，包括以下步骤：

步骤一、让质子交换膜燃料电池电堆处于额定功率10％的带载状态，然后打开燃料的进出阀门；

步骤二、等待5s后通入氧化剂，运行20s；

步骤三、按照步长为额定功率的10％逐步加载到额定功率的30％，每个步长之间间隔为20s；

步骤四、采取方式将燃料电池电堆的单片阴极侧电势降到0.1v以下，并维持15s；

步骤五、恢复燃料电池电堆至额定工作点功率的100％，运行20s；

步骤六、重复步骤四和步骤五的操作次数≥1。

在步骤四中，采取的方式有短路、停止氧化剂供应、通入氮气、停机用电源强制放电。

实施例4：

请参阅图4，一种快速激活质子交换膜燃料电池的方法，包括以下步骤：

步骤一、让质子交换膜燃料电池电堆处于额定功率20％的带载状态，然后打开燃料的进出阀门；

步骤二、等待7s后通入氧化剂，运行40s；

步骤三、按照步长为额定功率的20％逐步加载到额定功率的60％，每个步长之间间隔为40s；

步骤四、采取方式将燃料电池电堆的单片阴极侧电势降到0.1v以下，并维持45s；

步骤五、恢复燃料电池电堆至额定工作点功率的110％，运行45s；

步骤六、重复步骤四和步骤五的操作次数≥1。

在步骤四中，采取的方式有短路、停止氧化剂供应、通入氮气、停机用电源强制放电。

实施例5：

请参阅图1，一种快速激活质子交换膜燃料电池的方法，包括以下步骤：

步骤一、让质子交换膜燃料电池电堆处于额定功率15％的带载状态，然后打开燃料的进出阀门；

步骤二、等待6s后通入氧化剂，运行30s；

步骤三、按照步长为额定功率的15％逐步加载到额定功率的40％，每个步长之间间隔为30s；

步骤四、采取方式将燃料电池电堆的单片阴极侧电势降到0.1v以下，并维持30s；

步骤五、恢复燃料电池电堆至额定工作点功率的105％，运行30s；

步骤六、重复步骤四和步骤五的操作次数≥1。

在步骤四中，采取的方式有短路、停止氧化剂供应、通入氮气、停机用电源强制放电。

通过本发明采取的方法耗时短，可以在每次开机时应用，进而提升燃料电池在整个运行过程中的性能，平均可以性能提升在10％-20％。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。