CN102097631B - 一种质子交换膜燃料电池的活化方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种质子交换膜燃料电池的活化方法和装置，其中，所述方法包括：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，根据预置规则调整电池的电堆夹具；向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，直到电池的输出电压达到预设电压。通过向气体流道持续通入去离子水，可以使膜电极充分润湿；通过调整电堆夹具，可以在降低欧姆极化和浓差极化之间得到一个最佳范围；在通入反应气体后，通过调整负载使电池按照预置步长梯度输出电流，可以使水、热、电子、质子、气体五种传输通道内部进行调整，让更多催化剂成为有效反应点，使活化效果更佳。
Description
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。
本发明实施例还提供了一种质子交换膜燃料电池的活化装置，所述装置包括：通水循环模块，用于向质子交换膜燃料电池的气体流道持续通入去离子水；
压力调整模块，用于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；
气体供应模块，用于在所述压力调整模块调整电堆夹具后，向所述气体流道持续通入相应的反应气体；
电流调整模块，用于在所述气体供应模块通入反应气体的同时，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。
本发明实施例的质子交换膜燃料电池的活化方法和装置，通过向气体流道持续通入去离子水，可以使膜电极充分润湿，建立起水通道和质子通道，降低水的浓差极化；通过调整电堆夹具，可以在降低欧姆极化和浓差极化之间得到一个最佳范围，建立起电子通道和气体通道；在通入反应气体后，通过调整负载使所述电池按照预置步长梯度输出电流，使水、热、电子、质子、气体五种传输通道内部进行调整，不会造成催化剂团聚，让更多催化剂成为有效反应点，达到催化剂分散均匀和利用率提高的目的，由此提高电池的活化率，本发明实施例可以使活化效果更佳。
附图说明
图1是质子交换膜燃料电池的结构示意图；
图2是膜电极的结构示意图；
图3是本发明实施例的五通道理论中的反应奇点和五通道示意图；
图4是两个膜电极活化后的功率-电流密度曲线示意图；
图5是两个膜电极活化后的电压-电流密度曲线示意图；
图6是典型膜电极的极化曲线示意图；
图7是本发明实施例质子交换膜燃料电池的活化方法的一个实施例的流程示意图；
图8是本发明实施例质子交换膜燃料电池的活化方法的另一个实施例的流程示意图；
图9是本发明实施例在吹扫密闭式阴极流道电池时惰性气体的流向示意图；
图10是本发明实施例在调整负载使所述电池按照预置步长梯度输出电流时电压与步骤的曲线示意图；
图11是膜电极未活化和采用本发明实施例的方法活化后的极化曲线示意图；
图12是本发明实施例质子交换膜燃料电池的活化装置的框架示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。
现有技术在研究质子交换膜燃料电池***时，采用传统的基础理论进行研究，尤其是对于质子交换膜燃料电池反应的心脏——膜电极，还是采用传统电化学的三相界面进行分析和解释。对于质子交换膜燃料电池***的管理，采用传统的化工流体力学、热力学、结构力学等进行，因此也导致了大家普遍认为的质子交换膜燃料电池***具有多参数（温度、湿度、电压、电流、内阻、流速、流量等）、多变化、多耦合的特征，无法精确地进行数学公式描述与定量控制，导致目前的控制管理办法大都采用简单的反馈控制，甚至还存在质子交换膜燃料电池***最佳温度是60℃或者75℃等错误认识。实际上，质子交换膜燃料电池是一个复杂的微型化工厂，造成错误认识的原因在于：在研究质子交换膜燃料电池时，大都从外部入手解决表观的热、电、水问题，而忽略了反应的心脏——膜电极。
传统研究认为膜电极中质子的传递是从阳极侧交替传递到阴极侧参与反应（如同一排人传递砖块一样），而且传递过程必须以水合质子的形式进行，这种认识也是传统理论认为必须增湿才能实现反应持续的重要原因。
发明人经过长期的实验积累和分析总结，提出一套适用于质子交换膜燃料电池的“五通道理论”。
五通道理论将膜电极中的一个有效反应点（我们定义为反应奇点）作为研究对象。反应奇点具备完整的五种反应通道——水、热、气体、质子、电子五种进出通道（图3中带有阴影的点为反应奇点），是一个完整质子交换膜燃料电池***的缩影，充分表征了质子交换膜燃料电池***的所有特征。
反应奇点的含义，是在膜电极中能够实现持续电化学反应的一个有效点，其必须包含有催化剂Pt颗粒、碳粉颗粒、质子交换膜（例如Nafion膜）、质子交换树脂等物质，以及水、热、电子、质子、气体五种反应元素的进出通道，否则电化学反应就不可能持续，这个点就不是反应奇点。
而五通道理论还同时提出质场与质流的概念。五通道理论认为，质场如同电场，质流如同电流，只要有电位差存在，质子的传递就如同电子传递一样，二者仅仅是符号和导体介质不同。其中，质场建立的关键是质子交换膜饱和含水，使其中的磺酸根变成活动的。在反应过程中，一旦阳极侧一个质子A产生，阴极侧处于质子交换树脂中的质子B就会同时参与反应（质子是相同的，类似于电流传递，和由电子传递形成的电流一样，电流速度等于光速，质流速度同样等于光速，可以认为质子A与质子B同时作用），根本不存在传统理论所谓的质子A必须穿过质子交换膜之后再参与反应的过程，当然，质子A最终会在电场作用下穿过质子交换膜到达阴极参与反应。
发明人认为：膜电极的活化，不仅仅是质子交换膜的增湿过程，而是围绕“反应奇点”的五种通道建立和平衡优化的过程。它不同于工业催化剂的活化，因为工业催化剂的活化是将不具备催化活性的胚料通过一定方法将其激活的工艺，而质子交换膜燃料电池中的铂催化剂已经具备活性，不存在激活的步骤，也不同于蓄电池的活化，蓄电池的活化本质是蓄电池硫酸盐化后性能下降，通过一定方法促使电解质变成活性状态的工艺。
本发明实施例在五通道理论的基础上，动态地站在水、热、电子、质子、气体五种传输通道的角度上对膜电极活化过程进行剖析，从内部分析膜电极性能最大化的可能活化途径。膜电极最佳化的标志是催化剂利用率最高，且最大功率点对应的电池工作电压高（如图4所示，1的活化效果要好于2），这样效率显然就会高。
活化成功的膜电极应该是电极有效反应面积和双电层电容膜电极的双电层电容（催化剂表面与质子交换树脂两相界面之间的电容）最大，而影响电极有效反应面积和双电层电容的关键因素是催化剂的分散程度以及利用率，所以膜电极性能好坏的关键在于：选用催化剂的活性高低及制备过程中催化剂的分散情况。在保证催化剂选型和制备工艺稳定的前提下，能否利用较好的活化工艺激活更多的催化剂参与反应，也就是如何保证每一个分散铂颗粒都能够拥有完善的五通道是活化的关键。
膜电极的极化包括电化学极化、欧姆极化和浓差极化，膜电极的性能优劣可以通过测试极化曲线进行对比（如图5所示，膜电极1要优于2）。膜电极的总共损失等于电化学极化、欧姆极化和浓差极化的共同极化损失（如图6所示），在活化过程中，要确保上述三种极化降至最低。
1）对于电化学极化，其主要是由于发生在电极表面的反应速度过慢导致的，在驱动电子传输到或传输出电极的化学反应时，产生的部分电压会被损耗掉，而且这种电压降是高度非线性的。可以从活化温度、气体压力等方面进行调整来降低膜电极的电化学极化。
2）对于欧姆极化，其最主要的影响因素来自于接触电阻和电解质的质子传递阻力。在制造过程中通过精心打磨接触面、选用尽可能薄的质子交换膜以及选用内阻小的原材料等能够尽可能的降低电阻。在活化过程中，通过反复调整电堆螺杆压力可以找出最佳功率输出点（在同样输入条件下的最大功率点，如相同的气体压力、浓度以及相同的反应温度等）。
3）对于浓差极化，影响浓差极化的关键因素在于气体在催化剂层的传递，对扩散速度影响较大的是整平层和催化层，扩散层的影响基本可以忽略，而阳极侧也基本可以忽略。
另外，电堆组装压力对于气体扩散速度也有一定程度的影响，在如何确定电堆组装压力时，一般通过计算确定各组件的厚度，对于双极板、端板等几乎不存在压缩性，施加压力后有影响的是膜电极，根据设计，膜电极的压缩程度一般处于70%～90%，具体根据接触电阻变化和浓差极化情况进行协调。
从五通道角度考虑，膜电极性能受限于五通道中响应速度最慢的一条通道，当然在不同电流密度下，五通道的约束程度会发生变化。
从五通道理论可知，更好性能的膜电极意味着更多反应奇点，更多反应奇点意味着：从催化剂来讲，分散均匀、团聚较少；从表观测试来看，双电层电容大、膜电极的有效面积大。在膜电极制造过程中的影响我们暂不论述，在活化过程中，切忌一开始就进行最大电流活化（电压拉至很低，进行活化），原因在于反应奇点开发有限，过低电压和大电流测试容易导致局部过热，进而导致催化剂颗粒团聚，造成催化剂比表面降低和膜电极性能不能有效开发。整个活化过程要特别注意散热，否则将会限制膜电极最大性能的开发。
五通道的建立是一个微观、复杂、动态的过程，存在诸如催化剂分子迁移、分子重组、分子互连以及质子交换树脂聚合物的重排等，引起上述变化的内因在于电场、质场、热等的综合作用。活化是一个循环渐进的过程，其关键是在可靠参数的范围内加速五通道的建立与平衡。
结合上述提出的五通道理论和对膜电极极化的分析，本发明实施例需要提高催化剂的分散程度和利用率，以提高电池的活化率，为此，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和装置。下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。
实施例一
本实施例提供了一种质子交换膜燃料电池的活化方法，如图7所示，包括：
S101，向质子交换膜燃料电池的气体流道持续通入去离子水；
S102，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；
S103，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。
本实施例的方法，通过向气体流道通入去离子水，使膜电极充分湿润，建立起水通道和质子通道，降低水浓差极化；通过调整电池的电堆夹具，在降低欧姆极化和浓差极化之间得到一个最佳范围，建立起电子通道和气体通道；在通入反应气体后，通过调整负载使所述电池按照预置步长梯度输出电流，使五种通道内部进行调整，不会造成催化剂团聚，让更多催化剂成为反应奇点，达到催化剂分散均匀和利用率提高的目的，由此提高电池的活化率。
实施例二
本实施例提供了一种质子交换膜燃料电池的活化方法，如图8所示，包括：
S201，吹扫所述电池的气体流道。
在膜电极制造过程中，不可避免存在粉尘（包括碳粉、催化剂颗粒、大气灰尘等）污染，导致膜电极内部气路不通畅，如果不进行处理，除影响膜电极的气体通道外，还潜在污染催化剂以及阻碍五通道建立的危险。
在电堆集成完毕后，首先利用干燥的惰性气体对电池的气体流道进行吹扫清理。所述惰性气体可以为氮气、氩气等。
对于密闭式阴极流道电池，步骤S201具体可以为：使用惰性气体同时脉冲式吹扫所述气体流道。在吹扫过程中，膜电极两侧压力始终相等，不断脉冲式变化吹扫压力，如0.3MPa-0.2MPa-0.1MPa-0.2MPa-0.3MPa，惰性气体的压力波动范围为0.1~0.3MPa（这是由膜电极的耐压程度决定的）。如此循环往复，例如吹扫10min。可以如图9所示，将惰性气体连接到氢气进口，将氢气出口与空气进口串联，形成一个完整的通道，空气出口采用电磁阀控制，调节惰性气体在氢气进口的压力为0.3MPa，然后通过频繁开关电磁阀实现脉冲式吹扫。
对于敞开式阴极流道电池，步骤S201具体可以为：使用惰性气体脉冲式吹扫阳极侧气体流道，使用空气吹扫阴极侧气体流道。例如，对阳极侧气体流道吹扫时，采用惰性气体0.1～0.2MPa脉冲式吹扫10min，对于阴极侧气体流道，采用大流量空气吹扫15min。
S202，向质子交换膜燃料电池的气体流道持续通入去离子水。
膜电极在制造过程中，反复的烘制干燥导致质子交换膜严重缺水，如果在膜电极带载前，未能让质子交换膜充分饱和含水且激活所有磺酸根，会导致局部过热，进而导致质子交换膜性能降低，严重的会导致膜电极穿孔。很多情况下，膜电极的穿孔燃烧都是活化过程所导致的，即便是运行过程出现类似情况，一般也是由于在活化过程中造成了质子交换膜受损。在本发明实施例中，在阴阳极侧气体流道中通入逐渐升温的去离子水进行湿润，确保质子交换膜恢复到正常状态，建立起水通道。
对于密闭式阴极流道电池，步骤S202具体可以为：在所述气体流道中通入循环去离子水，加热所述去离子水使其温度从室温逐渐升高至预设温度；停止加热所述去离子水使其在循环过程中温度逐渐降至室温。
可以在图9的基础上，将氢气进口与冷却水出口串联起来，在循环管路中通入去离子水后，开启隔膜水泵，调整加热器功率，加热循环去离子水使其在15min升至预设温度（例如90℃，虽然温度高有助于提高膜电极的活跃程度，加快活化，但过高会损伤膜电极），然后关闭加热器，开启散热器风扇，使循环去离子水的温度在15min内逐渐降至室温。
所述循环去离子水的升温和降温次数为至少3次，次数太少会使膜电极不能充分润湿，次数太多会延长活化所需时间。
对于敞开式阴极流道电池，步骤S202具体可以为：在所述电池的阳极侧气体流道中通入循环去离子水，将所述电池浸入水中；加热所述去离子水使其温度从室温逐渐升高至预设温度；停止加热所述去离子水使其在循环过程中温度逐渐降至室温。对循环去离子水的升温和降温处理过程与密闭式阴极流道电池相似，此处不再赘述。
通过向气体流道持续通入去离子水，可以使膜电极充分润湿，相较于现有技术采用水蒸气的方式，通入去离子水的润湿效果更好、速度更快；通过反复将去离子水升温、降温，可以很好的建立起电池在工作范围内各个温度的水通道，而且加快了对膜电极增湿的活化速度。
S203，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。
电堆在组成质子交换膜燃料电池***时，根据事先测量好的每个零部件（包括不可压缩的双极板、端板、集流板和可压缩的膜电极、密封圈）厚度和设计压缩量，进行电堆组装参数（电堆长度）确定。但是在经历过冷热水循环后，结构会发生变化（由于电堆由多种材料组成，热胀冷缩效应以及吸水膨胀效应等会导致电堆内部结构变化），如果不进行调整，会导致气体通道和电子通道受到影响，并主要影响电子通道。
因此，步骤S203可以为：通过扭矩扳手调整电堆夹具，以使扭矩扳手的压力达到预设压力值且所述电池各个螺杆的有效长度误差不大于预设偏差。扭矩扳手是一种设定拧紧压力的工具，在拧紧螺母时，当压力达到设定值后，就无法再拧紧了，这样可以保证各个螺杆受力一致。所述预设压力值由电池型号和电池的压缩量（70%~90%）确定。本实施例采用扭矩扳手和精密钢尺进行测量，在各个螺杆受力均匀的情况下，优选的，预设偏差为0.5mm。
通过调整电堆夹具，可以在欧姆极化和浓差极化之间得到一个最佳范围，建立起电子通道和气体通道。
S204，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。
在活化过程中，切忌一开始就进行最大电流活化（输出电压拉至很低，进行活化），原因在于反应奇点开发有限，过低输出电压和大电流测试容易导致局部过热，进而导致催化剂颗粒团聚，造成催化剂比表面降低和膜电极性能不能有效开发。整个活化过程要特别注意散热，否则将会限制膜电极最大性能的开发。
对于密闭式阴极流道电池，步骤S204具体可以为：分别向所述电池的阳极侧气体流道和阴极侧气体流道持续通入氢气和氧气；每隔设定时间间隔，检测当前输出电流强度下本次输出电压和上次输出电压的差值；若所述差值小于预设阈值，则为当前输出电流强度增加所述预置步长。
所述氢气和氧气的气压相等，压力均为0.1MPa~0.3MPa（在膜电极的耐压范围内，气压越大就可以进行越大电流活化，加快活化速率），所述设定时间间隔可以为3min，所述预设阈值可以根据实际情况设定，过大会使步骤S204的活化不彻底，过低又会使活化时间过长。随着活化的进行，同一输出电流强度下的输出电压会逐渐升高（参见图10），每个输出电流强度内的输出电压变化都是初始时增长非常快，然后渐趋平稳。每3min采样一次，当输出电压前后差值小于预设阈值时，为当前输出流强度增加所述预置步长（如20A），进行下一电流强度的活化步骤，以此类推，直到电池输出电压小于预设电压（如30V），活化过程停止。也可以通过计算每片单电池的输出电压，并将每片单电池的在同一输出电流强度下，相邻两次采样的输出电压差值与单片电池的预设阈值（如0.005V）进行比较，直到每片所述单电池的输出电压小于设定电压（如0.35V）时。在活化后期，尤其要加强散热，确保燃料电池温度低于75℃，避免损伤膜电极（如质子交换膜穿孔，催化剂团聚等）。
对于敞开式阴极流道电池，步骤S204具体可以为：分别向所述电池的阳极侧气体流道和阴极侧气体流道持续通入氢气和空气；每隔设定时间间隔，检测当前输出电流强度下本次输出电压和上次输出电压的差值；若所述差值小于预设阈值，则为当前输出电流强度增加所述预置步长。其中，所述氢气的压力可以为0.1MPa~0.2MPa，所述空气的压力为常压。其中的采样、判断、增加电流强度与密闭式阴极流道电池相似，此处不再赘述。
对于敞开式阴极流道电池，在所述电压达到预设电压后，优选还包括：恒流活化。因为阴极侧是常压，由于浓差极化的限制，不能像两侧都是密闭通道的密闭式阴极流道电池一样进行大电流活化，因此可以在步骤S204后通过恒流活化进行弥补。
热通道是一开始就存在的，但是达不到最优化；通过调整负载使所述电池按照预置步长梯度输出电流，使五种通道内部进行调整，不会造成催化剂团聚，可以让更多催化剂成为反应奇点，由此提高活化效率。
下面通过两个实际的例子对本发明实施例的质子交换膜燃料电池的活化方法进行描述。
一、游览车用高压氢空燃料电池
1）电堆设计功率10KW（65V，153A），膜电极有效尺寸200cm2，总计100片膜电极。最大设计功率12KW（60V，240A），空气侧为密闭式流道，水冷式电堆，散热能力为60KW。
电子负载：30KW，可编程；气体输送管理设备：四路气体（氢气、氧气、氮气、空气）以及对应的增湿单元；扭矩扳手、钳形电流表、红外温度计、普通工具套装等。
2）燃料电池的活化
i.如图9所示，将氮气连接到氢气进口处，将氢气出口与空气进口串联，形成一个完整的通道，空气出口采用电磁阀控制，调节氢气进口处压力为0.3MPa，然后通过频繁开关电磁阀实现脉冲式吹扫10min。
ii.将电池的氢气进口与冷却出口连接起来，在循环管路加入去离子水后，开启隔膜水泵，调整加热器功率，加热循环水在15min左右升至90℃，然后关闭加热器，开启散热器风扇将温度15min左右逐渐降至室温。
iii测量电池每一侧的长度和扭矩扳手所显示数据，根据预先计算的池长度进行调整，同时参考扭矩扳手的显示数据，保证受力均匀。
ix.在通入反应气体后，调整负载使所述电池按照预置步长梯度输出电流，为了获得更好的活化性能，循环冷却水的温度非常关键。在本实施例中，除了使冷却水流量远大于电池所需外，还要将循环冷却水的温度根据电流强度的不同设定在不同温度，有助于活化。如表1所示，针对每一个单片膜电极都要控制在表中所示的温度。
表1
| 电流密度区间/A·cm2 | <0.5 | 0.5~1.0 | 1.0~1.5 | 1.5~2.0 | >2.0 |
| 循环水温度/℃ | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 |
通过电子负载编程设定活化步骤如下：设定输出电流强度20A，进行输出电压采样，3min采集一次，当后一次采集的输出电压大于前一次采集的输出电压1V时，负载电流强度调节至40A，以此类推，直到稳定输出电压低于30V代表活化完成。总共活化时间在3h左右。
活化前后的极化曲线如图11所示，可以看到，采用本实施例的方法对膜电极活化后，电池的性能要远远好于活化前。
二、通信电源用风冷自增湿燃料电池电堆基本参数
1）电堆设计功率：3KW，最大功率5KW；膜电极面积200cm2，电堆片数75片，额定工作电流57.5A，额定工作电压为52.5V；电池为风冷自增湿类型，采用轴流风扇进行散热和空气供应。
电子负载：最大功率为10KW，可编程；扭矩扳手、钳形电流表、红外温度计、普通工具套装等，氢气供应装置，最大流量为100升/min。
2）燃料电池的活化
i.由于该电池阴极侧为敞开式，因此采用0.2MPa（绝压）氮气对氢气侧进行吹扫，工艺如游览车用高压氢空燃料电池，阴极侧采用轴流风扇全速运转进行清理；
ii.循环水膜电极增湿处理中，仅在阳极侧进行，具体工艺步骤同游览车用高压氢空燃料电池，阴极侧敞开并运转轴流风扇；
iii测量电池的每一侧的长度和扭矩扳手所显示数据，根据预先计算的电池长度进行调整，同时参考扭矩扳手显示的数据，保证受力均匀。
ix.在通入反应气体后，调整负载使所述电池按照预置步长梯度输出电流：对于电堆的温度控制非常关键，但由于轴流风扇的散热能力有限（设计轴流风扇的最大散热能力为8KW），不可能像水冷电堆一样进行大电流活化。具体步骤如下：调整氢气压力为0.05MPa（表压），设定工作输出电流强度20A，进行输出电压采样，3min采集一次，当后一次采集的输出电压大于前一次采集的输出电压0.5V时，负载电流强度调节至40A，以此类推，直到（1.23－输出电压）×电流强度大于8KW（保证轴流风扇可以以额定功率工作，对电池进行散热），最后设定工作输出电流强度为60A，温度控制在55℃，继续运行60min，完成活化过程。总共活化时间在4h左右。
本实施例的质子交换膜燃料电池的活化方法，通过对气体流道进行吹扫，避免了催化剂污染和制造过程产生的碎屑堵塞气体流道；通过向气体流道持续通入去离子水，可以使膜电极充分润湿，降低水的浓差极化；通过反复将去离子水升温、降温，可以很好的建立起电池在工作范围内各个温度的水通道，而且加快了对膜电极增湿的活化速度；通过调整电堆夹具，可以在降低欧姆极化和浓差极化之间得到一个最佳范围，建立起电子通道和气体通道；在通入反应气体后，通过调整负载使所述电池按照预置步长梯度输出电流，使水、热、电子、质子、气体五种传输通道内部进行调整，不会造成催化剂团聚，让更多催化剂成为有效反应点。通过采用本实施例的方法，能够实现催化剂分散均匀以及利用率提高的目的，由此提高电池的活化率；本实施例的方法除了可以使活化效果更好外，还能够大幅降低膜电极活化所需的时间，节省资源、提高效率。
实施例三
本发明实施例还提供了一种质子交换膜燃料电池的活化装置，如图12所示，所述装置包括：
通水循环模块10，用于向质子交换膜燃料电池的气体流道持续通入去离子水；
压力调整模块20，用于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；
气体供应模块30，用于在所述压力调整模块20调整电堆夹具后，向所述气体流道持续通入相应的反应气体；
电流调整模块40，用于在所述气体供应模块30通入反应气体的同时，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。
所述通水循环模块10可以包括：
第一通水循环单元，用于在密闭式阴极流道电池的气体流道中通入循环去离子水，加热所述去离子水使其温度从室温逐渐升高至预设温度；以及停止加热所述去离子水使其在循环过程中温度逐渐降至室温；和/或
第二通水循环单元，用于在敞开式阴极流道电池的气体流道中通入循环去离子水，加热所述去离子水使其温度从室温逐渐升高至预设温度；以及停止加热所述去离子水使其温度逐渐降至室温。
所述压力调整模块20具体可以用于：
通过扭矩扳手调整电堆夹具，以使扭矩扳手的压力达到预设压力值且所述电池各个螺杆的长度误差不大于预设偏差。
所述气体供应模块30可以包括：
第一气体供应单元，用于分别向密闭式阴极流道电池的阳极侧气体流道和阴极侧气体流道持续通入氢气和氧气；和/或
第二气体供应单元，用于分别向敞开式阴极流道电池的阳极侧气体流道和阴极侧气体流道持续通入氢气和空气。
所述电流调整模块40可以包括：
电流调整单元，用于每隔设定时间间隔，检测当前输出电流强度下本次输出电压和上次输出电压的差值；若所述差值小于预设阈值，则为当前输出电流强度增加所述预置步长，直到所述电池的输出电压达到预设电压。
优选的，所述电流调整模块40还包括：恒流单元，用于在敞开式阴极流道电池的输出电压达到所述预设电压后提供恒流。
所述装置优选还包括：气体吹扫模块50，用于吹扫所述电池的气体流道。
由于装置实施例部分与方法实施例部分相似内容较多，因此描述的比较简略，相关之处请参见方法实施例部分，本文不再赘述。
本实施例的质子交换膜燃料电池的活化装置，通过对气体流道进行吹扫，避免了催化剂污染和制造过程产生的碎屑堵塞气体流道；通过向气体流道持续通入去离子水，可以使膜电极充分润湿，降低水浓差极化；通过反复将去离子水升温、降温，可以很好的建立起电池在工作范围内各个温度的水通道，而且加快了对膜电极增湿的活化速度；通过调整电堆夹具，可以在降低欧姆极化和浓差极化之间得到一个最佳范围，建立起电子通道和气体通道；在通入反应气体后，通过调整负载使所述电池按照预置步长梯度输出电流，使五种通道内部进行调整，不会造成催化剂团聚，让更多催化剂成为反应奇点，达到催化剂分散均匀和利用率提高的目的，由此提高电池的活化率；本实施例的装置除了可以使活化效果更好外，还能够大幅降低膜电极活化所需的时间，节省资源、提高效率。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：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。所述存储介质，如：ROM／RAM、磁碟、光盘等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (15)
1.一种质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，对于密闭式阴极流道电池，所述向电池的气体流道持续通入去离子水包括：
在所述气体流道中通入循环去离子水，加热所述去离子水使其温度从室温逐渐升高至预设温度；
停止加热所述去离子水使其在循环过程中温度逐渐降至室温。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，对于敞开式阴极流道电池，所述向电池的气体流道持续通入去离子水包括：
在所述电池的阳极侧气体流道中通入循环去离子水，将所述电池浸入水中；加热所述去离子水使其温度从室温逐渐升高至预设温度；
停止加热所述去离子水使其温度逐渐降至室温。
4.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，对于密闭式阴极流道电池，所述向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包括：
分别向所述电池的阳极侧气体流道和阴极侧气体流道持续通入氢气和氧气；
每隔设定时间间隔，检测当前输出电流强度下本次输出电压和上次输出电压的差值；若所述差值小于预设阈值，则为当前输出电流强度增加所述预置步长。
5.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，所述氢气和氧气的压力相等，所述压力为0.1MPa~0.3MPa。
6.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，对于敞开式阴极流道电池，在所述输出电压达到预设电压后还包括恒流活化；
所述向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包括：
分别向所述电池的阳极侧气体流道和阴极侧气体流道持续通入氢气和空气；
每隔设定时间间隔，检测当前输出电流强度下本次输出电压和上次输出电压的差值；若所述差值小于预设阈值，则为当前输出电流强度增加所述预置步长。
7.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，在通入去离子水前，所述方法还包括：吹扫所述电池的气体流道。
8.如权利要求7所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，对于密闭式阴极流道电池，所述吹扫电池的气体流道包括：使用惰性气体同时脉冲式吹扫所述气体流道。
9.如权利要求7所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，对于敞开式阴极流道电池，所述吹扫电池的气体流道包括：使用惰性气体脉冲式吹扫阳极侧气体流道，使用空气吹扫阴极侧气体流道。
10.一种质子交换膜燃料电池的活化装置，其特征在于，所述装置包括：
通水循环模块，用于向质子交换膜燃料电池的气体流道持续通入去离子水；
压力调整模块，用于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；
气体供应模块，用于在所述压力调整模块调整电堆夹具后，向所述气体流道持续通入相应的反应气体；
电流调整模块，用于在所述气体供应模块通入反应气体的同时，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。
11.如权利要求10所述的质子交换膜燃料电池的活化装置，其特征在于，所述通水循环模块包括：
第一通水循环单元，用于在密闭式阴极流道电池的气体流道中通入循环去离子水，加热所述去离子水使其温度从室温逐渐升高至预设温度；以及停止加热所述去离子水使其在循环过程中温度逐渐降至室温；和/或
第二通水循环单元，用于在敞开式阴极流道电池的气体流道中通入循环去离子水，加热所述去离子水使其温度从室温逐渐升高至预设温度；以及停止加热所述去离子水使其温度逐渐降至室温。
12.如权利要求10所述的质子交换膜燃料电池的活化装置，其特征在于，所述气体供应模块包括：
第一气体供应单元，用于分别向密闭式阴极流道电池的阳极侧气体流道和阴极侧气体流道持续通入氢气和氧气；和/或
第二气体供应单元，用于分别向敞开式阴极流道电池的阳极侧气体流道和阴极侧气体流道持续通入氢气和空气。
13.如权利要求10所述的质子交换膜燃料电池的活化装置，其特征在于，所述电流调整模块包括：
电流调整单元，用于每隔设定时间间隔，检测当前输出电流强度下本次输出电压和上次输出电压的差值；若所述差值小于预设阈值，则为当前输出电流强度增加所述预置步长，直到所述电池的输出电压达到预设电压。
14.如权利要求13所述的质子交换膜燃料电池的活化装置，其特征在于，所述电流调整模块还包括：
恒流单元，用于在敞开式阴极流道电池的输出电压达到所述预设电压后提供恒流。
15.如权利要求10-14任一项所述的质子交换膜燃料电池的活化装置，其特征在于，所述装置还包括：气体吹扫模块，用于吹扫所述电池的气体流道。
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