一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法

本发明涉及清洁能源设备，具体涉及一种适用于含有质子交换膜的燃料电池的活化方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种将化石燃料的化学能转换为电能的发电装置，燃料电池在转换过程中能够释放大量热量用于提供动力，因此燃料电池成为可能取代船舶上的传统柴油发动机，并持续推进的主要能源；然而现有的以化石燃料为原料的燃料电池，燃烧过程中会产生温室气体、硫氧化物(sox)、氮氧化物(nox)和颗粒物(pm)等有害气体而造成空气污染，以固体氧化物为燃料的燃料电池，例如甲烷、重整气等，会导致电池出现积碳现象而降低电池性能；氢气是一种新兴的清洁能源，氢气燃烧后仅生成水且同时能释放大量能量，是一种理想的清洁燃料；因此采用氢气作为燃料电池的燃料是一种可行的节能方案；氢燃料电池的发电核心组件膜电极由质子交换膜、催化膜、气体扩散层和封边材料组成，氢原子在阳极催化剂的作用下生成质子和电子，质子透过质子交换膜到达阴极，电子通过外电路到达阴极，质子、氧原子和电子在阴极发生还原反应生成水；在实际使用过程当中需要通过活化来促进燃料电池内部质子和电子的流动，从而促进燃料电池的发电效果；然而在活化方法中可能存在着电能消耗量大，催化剂活性不佳或者表面残留有杂质，质子或者电子的流通不顺畅等问题。

2、中国专利cn115064732a公开了一种质子交换膜燃料电池的活化方法，包括以下步骤：1)将燃料电池放在测试平台上，将测试平台的氢气腔和空气腔均置换为湿的氮气箱2)将燃料电池升温3)将氢气腔置换为湿的氢气，空气腔置换为湿的空气4)将空气再次置换为湿的氮气，保持另一侧为氢气不变5)将空气腔置换为湿的空气，调整氢气腔的氢气，将电流从初始电流拉载至预设电流，然后降载至初始电流，循环进行拉载-降载的操作直到活化结束。该活化方法在活化过程中需要通入较大的电流，并且燃料电池中催化剂的活性不高，活化效果过程中能量消耗较大；且对于具有质子交换膜的燃料电池，活化效果不佳。

技术实现思路

1、针对现有技术中的燃料电池活化方法，需要通入较大的电流量且催化剂活性不高，对于质子交换膜燃料电池发电效率不佳，活化效果不佳且活化过程中能量消耗大等缺陷，提供一种活化过程中催化剂活性较高且消耗的电能较少，活化效果更佳且能够适用于高温质子交换膜燃料电池活化的活化方法。

2、本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：步骤一：将燃料电池升温至对应的运行温度，并且在燃料电池的阳极侧和阴极侧分别通入氮气；

3、停止向燃料电池阳极通入氮气，将氢氮混合气通入燃料电池的阳极，同时向燃料电池内部通入恒定电流，通入恒定电流的时间范围为10～40分钟；

4、步骤三：停止向燃料电池阴极通入氮气，将空气并通入燃料电池的阴极直到燃料电池的阴极和阳极之间的电压达到0.9v以上为止；

5、步骤四：将燃料电池与电子负载连通；

6、步骤五：通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.8v，燃料电池以0.8v电压对外放电1～5分钟；通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.7v，燃料电池以0.7v的电压对外放电1～5分钟；通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.6v，燃料电池以0.6v的电压对外放电1～5分钟；通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.5v，燃料电池以0.5v的电压对外放电1～5分钟；

7、步骤六：通过电子负载将燃料电池的电压重新调整回0.8v，重复步骤五至少十次，完成对燃料电池的活化。

8、进一步的，在步骤一中，在将燃料电池升温至对应的运行温度之前先采用气体对燃料电池进行吹扫。

9、进一步的，在步骤一中，燃料电池阴极出口的背压和阳极出口的背压均在50～100kpa范围内。

10、进一步的，在步骤一中，通入燃料电池阳极和阴极的氮气的湿度均为60％～100％。

11、进一步的，在步骤二中，通入燃料电池内部的恒定电流的最小电流密度为0.1a/cm2。

12、进一步的，在步骤二中，燃料电池与外部电源连通，外部电源用于向燃料电池内部提供恒定电流，外部电源的电压范围为0.09～0.12v。

13、进一步的，在步骤二中，通入燃料电池阳极的氢氮混合气中氮气的最小占比为5％。

14、进一步的，在步骤二中，通入燃料电池阳极的氢氮混合气的流速范围为0.5～1l/min。

15、进一步的，在步骤三中，控制燃料电池阳极气体和阴极气体的计量比在2～4的范围内。

16、进一步的，在步骤五中，通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.8v，燃料电池以0.8v电压对外放电2分钟；通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.7v，燃料电池以0.7v的电压对外放电2分钟；通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.6v，燃料电池以0.6v的电压对外放电2分钟；通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.5v，燃料电池以0.5v的电压对外放电2分钟。

17、本发明所述的一种用于燃料电池的活化方法，通过先采用氮气对燃料电池的阴极和阳极进行吹扫，随后逐步将燃料电池的阳极的氮气置换为氢氮气，将燃料电池阴极的氮气置换为空气，随后控制燃料电池阳极和阴极气体的计量比，逐步将燃料电池对外放电，并且重复多次放电步骤；有效缩短了燃料电池的活化时间，并且提高了燃料电池特别是高温质子交换膜燃料电池的活化效果，使得活化后的燃料电池在电压为0.6v以下时，输出的电流密度变化值低于±10ma/cm2，提高了燃料电池的输出电流的稳定性。

技术特征：

1.一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于：在步骤一中，在将燃料电池升温至对应的运行温度之前先采用气体对燃料电池进行吹扫。

3.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于：在步骤一中，燃料电池阴极出口的背压和阳极出口的背压均在50～100kpa范围内。

4.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于：在步骤一中，通入燃料电池阳极和阴极的氮气的湿度均为60％～100％。

5.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于：在步骤二中，通入燃料电池内部的恒定电流的最小电流密度为0.1a/cm2。

6.根据权利要求5所述的一种用于燃料电池的活化方法，其特征在于：在步骤二中，燃料电池与外部电源连通，所述外部电源用于向燃料电池内部提供恒定电流，所述外部电源的电压范围为0.09～0.12v。

7.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于：在步骤二中，通入燃料电池阳极的氢氮混合气中氮气的最小占比为5％。

8.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于：在步骤二中，通入燃料电池阳极的氢氮混合气的流速范围为0.5～1l/min。

9.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于：在步骤三中，控制燃料电池阳极气体和阴极气体的计量比在2～4的范围内。

10.根据权利要求1所述的一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于：在步骤五中，通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.8v，燃料电池以0.8v电压对外放电2分钟；通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.7v，燃料电池以0.7v的电压对外放电2分钟；通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.6v，燃料电池以0.6v的电压对外放电2分钟；通过电子负载将燃料电池的电压调整至0.5v，燃料电池以0.5v的电压对外放电2分钟。

技术总结
本申请公开了一种用于质子交换膜燃料电池的活化方法，包括将燃料电池升温至160℃以上，并且在燃料电池的阳极侧和阴极侧分别通入氮气；将燃料电池阳极侧的氮气置换为氢氮混合气，同时在燃料电池内部通入恒定电流；之后将燃料电池阴极处的氮气置换为空气并驱动燃料电池内部产生电能；将燃料电池与电子负载连通；当燃料电池的电压到达0.8V，0.7V,0.6V,0.5V时分别对外放电，之后调整与燃料电池连通的耗电装置的电压至0.8V再重复进行步骤五多次，完成对燃料电池的活化。该活化方法能够有效提高燃料电池的活化效果和活化效率，经过活化后的燃料电池的恒定电压达到0.6V以下，电流密度变化值低于±10mA/cm2。

技术研发人员：江莉龙,杨天颖,方辉煌,程金星,罗宇,张卿
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15