[发明专利]燃料电池活化及防止/改善干膜的方法

说明书

本申请涉及燃料电池活化及防止/改善干膜的方法。所述燃料电池活化方法包括：向电堆中通入冷却水、氢气和含氧气体，并设定冷却水的第一温度，含氧气体的第一露点温度和氢气的第一露点温度；使电堆在低电流密度下运行，并监测燃料电池堆的高频电阻、单电池平均电压或输出功率；当所述高频电阻由高电阻值降为低电阻值时、或者当单电池平均电压或由所述输出功率求得的电压趋于稳定时，设定冷却水的第二温度，含氧气体的第二露点温度和氢气的第二露点温度；和将电流逐渐增加到2A/cm²，并在该电流密度下继续运行，直至单电池平均电压变化小于5mV，其中，设定所述含氧气体的第一露点温度和所述氢气的第一露点温度高于所述冷却水的第一温度5℃～10℃。

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别涉及燃料电池堆的活化以及防止或改善电堆运行中MEA干膜的方法。

背景技术

燃料电池具有能量转换率高、环境友好等优点，而质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)更具有可低温运行、比功率高等优点，是一种具有广泛应用前景的新型动力源。以氢气作为燃料的燃料电池的阳极和阴极分别发生下式所示的反应。

H₂-2e^-→2H⁺阳极反应

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O阴极反应

其中，在阳极作为燃料的氢气被氧化为氢离子(质子)，并通过质子交换膜转移至阴极，并在阴极与用作氧化剂的氧气反应生成水。

膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是燃料电池的核心部件包括阳极、阴极和夹在阳极和阴极之间的质子交换膜。由于燃料电池阳极和阴极的反应是涉及气体的反应，因此，阳极和阴极从质子交换膜两侧向外分别依次包括催化层、气体扩散层和极板。氢气或氧气分别通过各自的气体扩散层到达催化层并在此分别发生氧化和还原反应，而阳极反应产生的质子则需要通过质子交换膜传输到阴极。因此，燃料电池堆(fuel cellstack)的运行依赖于良好的水气传输和质子传导。

实际上制备膜电极过程中，阳极催化层中会有部分催化剂的活性表面会被全氟磺酸树脂(Nafion)覆盖；涂布以形成催化层时，层中的孔隙可能被堵塞；而且热压过程中也造成催化层中的孔隙的进一步堵塞，这都造成了阳极反应气体无法达到催化剂表面。此外，制备好的膜电极中的质子交换膜是干燥的，不能有效进行质子传输。催化剂也可能由于杂质或其他原因未完全处于活化状态或存在催化剂中毒的情况。

为了使燃料电池堆能达到或快速达到最佳工作状态，并提高膜电极中催化剂的利用率，均需要对初装燃料电池堆的膜电极进行活化，以建立起水气的传输通道，使质子交换膜浸润，并使催化剂达到最佳催化效率。

一般的活化方法为了建立水气传输通道，通常通过给反应气体加湿，以给电解质膜补充足够的水分，提高质子由催化剂表面向质子膜的扩散速度，从而促使阳极和阴极进行反应。但是，由于刚制备好的燃料电池的膜电极中的质子交换膜是干燥的，且催化剂的催化效率也难以快速达到预定水平，因此在一段时间内，阳极和阴极的反应都只能缓慢进行，难以在短时间就建立良好的水气传输通道。

已进行了大量关于缩短燃料电池堆的活化时间，提高活化后燃料电池的输出功率的研究。

现有技术公开一种快速活化燃料电池堆的方法。该方法通过设定不同的温度以及反应气体的相对湿度，使燃料电池堆在不同条件下进行间歇运行，以逐步提高燃料电池堆的温度，激活燃料电池堆中的催化剂的活性，获得扩散层的良好的透气性和排水性。然而该方法仍需若干小时的时间进行活化。