[发明专利]一种质子交换膜燃料电池的活化方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池的 活化方法和装置。

背景技术

燃料电池是一种能够通过电化学方式将储存在燃料和氧化剂中的化学能 一步转化为直流电能的能量转换装置。其在原理上与蓄电池相类似，都是通 过电化学氧化还原反应，实现电子通过外电路在阴阳极的迁移。但形式上与 柴油发电机相近，需要持续不断地供给燃料和空气，排放废气和废水，输出 电能。其电极反应如下：

阳极反应2H₂→4H⁺+4e^-

阴极反应4H⁺+O₂+4e^-→2H₂O

电池反应2H₂+O₂=2H₂O+Q

其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的电解质是由离子导电聚合物构 成（如图1所示），质子交换膜10’可以为质子交换树脂（例如Nafion膜）， 质子交换膜10’的两面分别为多孔催化剂构成的阴极20’和阳极30’，此三层 组合在一起成为三明治结构的膜电极（MEA），将膜电极置于两个极板40’ 之间，并且加以密封，得到单电池。极板40’上具有沟槽状的气体流道，供 通入的气体与膜电极充分接触。由于单个电池开路电压仅为1.0V左右，因此， 通常将多个单电池组合在一起，形成具备高电压的电堆（Stack）。

参见图2，一个完整的膜电极包括阳极扩散层303’、阳极整平层302’、 阳极催化层301’、质子交换膜10’、阴极催化层201’、阴极整平层202’、阴 极扩散层203’。催化层是由催化剂（如铂颗粒）加质子交换树脂组成，是质 子交换膜燃料电池反应的心脏地带；整平层一般由导电碳粉加粘结剂特氟龙 （PTFE）组成，起整平作用，以减少催化剂浪费；扩散层一般由碳纸、碳布 等导电透气支撑材料制成，作用是导电透气以及支撑整平层和催化层。

在膜电极制造完成并组成电堆后，还不能正常输出功率，催化剂大都处 于离散状态，无法真正发挥作用。为了提高膜电极性能，充分利用催化剂， 需要对膜电极进行活化处理。

目前大多数观点认为活化就是增湿，因此出现了一些活化的方法，如蒸 煮、蒸汽熏蒸等方法。

现有的第一种活化方法采用电解的方式，将外部增湿的氢气和氧气分别 通入燃料电池的阳极和阴极，在燃料电池的两电极间施加1.3～1.5V的外加 电压，使燃料电池发生电解，在电解过程中，电解质膜中的水分别在阴极和 阳极生成氢气和氧气，与通入的氧气和氢气快速化合，使水在质子交换树脂 中的浓度大幅增加，因而增加了水的扩散速度，由此实现电解质膜迅速被水 饱和。

第二种活化方法是采用恒流自然活化的方式，将外部增湿的氢气和氧气 分别通入燃料电池的阳极和阴极后，施加一定的电流密度（保证一定的工作 电压）进行工作。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在如下问题：

第一种方法在作用于单片膜电极时，还能够实现，一旦作用于电堆后， 由于未活化的膜电极制造工艺及微观结构彼此存在差异，电堆的单片膜电极 之间平行性较差，导致电压分配不均，活化效果不平行；各膜电极上的电压 分配不均还有可能导致某片膜电极上电压高于C的电解电压，导致C氧化变 成CO₂，使铂颗粒脱落，导致催化剂铂颗粒分散性变差，膜电极活性比表面 降低，性能变差。第二种方法在活化过程也很容易出现单片膜电极之间平行 性较差、甚至反极的现象，导致膜电极损坏；而且活化时间过长（超过24h）， 耗费人力物力，活化效果也不理想。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种质子交换膜燃料电池的活化方法和装 置，以解决现有的质子交换膜燃料电池活化效果差的问题。

本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池的活化方法，包括：

向质子交换膜燃料电池的气体流道持续通入去离子水；

在停止通入去离子水并排除去离子水后，根据预置规则调整所述电池的 电堆夹具，以使所述电池各个螺杆的受力均等于预设压力值且有效长度误差 不大于预设偏差；

向所述气体流道持续通入相应的反应气体，同时调整负载促使所述电池 按照预置步长梯度输出电流，直到所述电池的输出电压达到预设电压。