[发明专利]质子交换膜燃料电池金属双极板电堆的快速活化方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池金属双极板电堆的快速活化方法，包括：在一定条件下进行极化曲线快速工况活化，再进行高电密梯度稳态活化，以此为一个活化周期，最后进行间歇式循环活化；极化曲线快扫工况活化过程：采用一次强制变载活化过程在短时间内使质子交换膜迅速润湿，在梯度加载和迅速降载的过程中，电压由高到第再到高，相当于一次快速的电位扫描，使催化剂在短时间内发生一次氧化还原过程；高电密梯度稳态活化过程：采用高电密的恒流活化进一步打开电池内部传质通道，从而构建催化层三项界面促进电化学反应的进行，该方法进一步提高了活化效率，大大缩短了活化时间和成本，对于质子交换膜燃料电池电堆的规模化生产具有重要意义。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池金属双极板电堆的快速活化方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于工作温度低、启动快、功率密度高和无废气排放等特点，成为近年来国内外的研发重点。在PEMFC的开发过程中，必须考虑诸多因素，而PEMFC的活化就是实现其商业化应用的一个决定性因素。PEMFC通过活化能大幅度提升性能，并达到一种稳定状态，同时也能够检测燃料电池是否具备出厂的要求，保证产品的质量。

PEMFC的核心部件是膜电极(MEA)，膜电极的组件包含电催化剂、质子交换膜、气体扩散层等，PEMFC的活化实质就是MEA的活化，即提高MEA的性能，包括电催化活性，催化剂的利用率等。通常一个新的PEMFC电堆或模块组装后，为了使其能达到(或快速达到)它的最佳状态和工作性能，往往需要经过充分活化后，才能正常投入使用。而PEMFC的活化过程通常需要几个小时甚至几天，不仅需要消耗大量的氢气、氮气等资源，还延迟了PEMFC的生产周期。

PEMFC的活化工艺有很多种，按照PEMFC的放电状态和活化机理可分为：PEMFC预处理活化(未放电前)，PEMFC原位活化(刚开始放电)和PEMFC恢复性活化(放电一段时间后)等。在现有的活化工艺中，主要以原位活化为主，即PEMFC组装后到正式使用前，采用放电方式来提高PEMFC性能的一种活化方法，由电流的加载模式与测试条件确定。电流的加载模式可分为恒流与变流；测试条件可分为恒定参数测试与改变参数测试；整个活化工艺可分为连续活化与间歇式活化。

现有技术中公开了一种燃料电池电堆活化的方法(申请号为110416556A)，技术方案是通过电堆的一次预湿活化和二次预湿活化过程使用电极表面快速形成一段时间的高电位，进而消除电极表面的不稳定催化剂和氧化电极表面杂质；再通过变电流的加湿活化过程，高电流密度下运行，使反应生成的水迅速增湿膜电极，实现质子交换膜、催化层树脂的快速增湿；控制电堆在高、低电流密度的交差运行，使电极快速形成稳定的气体、电子传输通道，实现燃料电池电堆的加速活化，将活化时间可以控制在2h左右。但是该方法虽然在一定程度上可以消除催化剂的表面杂质，但持续的高电位会造成碳载体的腐蚀，对电池寿命产生影响。

另外现有技术中还公开了一种燃料电池电堆的活化方法，该方法首先向待活化的电堆的阳极通入氢气、阴极通入空气或氧气，并使所述电堆处于开路状态；再对所述电池堆进行间歇性缺氧处理，即让电池堆处于氧饥饿状态后，再进行还原操作；最后进行恒流放电活化，将电池堆加载至设定电流，使电堆处于稳定工作状态后，再对电池堆进行间歇性缺氧处理。重复以上步骤达到电堆活化的目的，该方法采用了电堆间歇性缺氧的活化方法，可能会造成电堆电压波动大，甚至瞬态单低的风险，存在一定的安全问题。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种质子交换膜燃料电池金属双极板电堆的快速活化方法，该方法主要应用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的活化过程，具体包括如下步骤：

在一定条件下进行极化曲线快速工况活化，再进行高电密梯度稳态活化，以此为一个活化周期，最后进行间歇式循环活化；