一种高温质子交换膜燃料电池的活化方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种高温质子交换膜燃料电池的活化方法。

背景技术

按照使用温度的不同，质子交换膜燃料电池可分为低温和高温质子交换膜燃料电池两种，通常前者的使用温度不超过100℃，质子传导的介质是水，而后者的使用温度范围为100～200℃，质子传导的介质一般为非水的质子溶剂。高温质子交换膜燃料电池具有电化学反应活性高、无水管理系统、热管理系统简单、CO耐受性高等优点，在汽车、能源发电、航空航天、家用电源等行业具有广阔的应用前景。高温质子交换膜燃料电池由于CO耐受性高，系统中可以使用甲醇水溶液作为燃料，通过在线重整生成的重整气直接通入电堆，而无需经过特殊的CO脱除过程。不仅简化了系统，更是采用来源广泛、便于携带的甲醇水溶液作为燃料，省去了氢气的提纯和存储过程。

在高温质子交换膜燃料电池电堆组装成型后，需要对其性能进行活化，以确保电堆的性能达到使用的最佳状态，同时对电堆性能进行检测以满足出厂要求。现有高温质子交换膜燃料电池电堆的活化方法普遍是使用纯氢作为燃料，以恒电流放电模式长时间地运行，直至燃料电池电堆的性能达到平稳状态，活化时间往往需要50-100小时。对于使用重整气作为燃料的高温燃料电池电堆，由于使用纯氢进行活化，需要另外搭建活化测试平台，一方面搭建活化测试平台并使用大量的氢气瓶需要大面积的占地，另一方面设备的投入和纯氢燃料的消耗造成电堆活化的成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温质子交换膜燃料电池的活化方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温质子交换膜燃料电池的活化方法，包括：将装配完成的高温质子交换膜燃料电池电堆安装在高温燃料电池系统中；启动高温燃料电池系统，以对高温质子交换膜燃料电池电堆进行活化；以及活化完成后，关闭高温燃料电池系统。

进一步，将装配完成的高温质子交换膜燃料电池电堆安装在高温燃料电池系统中的方法包括：将位于高温燃料电池系统中的高温质子交换膜燃料电池电堆连接重整气、空气和冷却液通道，并将高温质子交换膜燃料电池电堆和直流负载相连。

进一步，所述重整气由甲醇水溶液高温重整生成；以及所述甲醇水溶液中甲醇与水的比例为1：1-1：2。

进一步，所述冷却液通道中的冷却液为沸点高于高温质子交换膜燃料电池电堆工作温度的有机液体。

进一步，启动高温燃料电池系统，以对高温质子交换膜燃料电池电堆进行活化的方法包括：

步骤S21，启动高温燃料电池系统，待高温质子交换膜燃料电池电堆的温度升至目标温度T1时，高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极通入重整气，其阴极通入干燥的空气，并通过直流负载逐渐加载电流至电流密度达到0.1A/cm

步骤S22，待高温质子交换膜燃料电池电堆的温度升至目标温度T2时，通过直流负载逐渐加载电流至电流密度达到0.2-0.3A/cm

步骤S23，通过直流负载逐渐加载电流至电流密度达到0.4-0.6A/cm

步骤S24，检测高温质子交换膜燃料电池电堆的电压或输出功率，若电压低于预设电压或输出功率低于预设功率，则依次重复步骤S12和步骤S13，否则完成活化。

进一步，活化完成后，关闭高温燃料电池系统的方法包括：通过直流负载逐渐降载电流至0A后，关闭甲醇水溶液的供应；以及降温后，高温质子交换膜燃料电池电堆的阴极使用空气持续吹扫30-60min后关闭高温燃料电池系统。

进一步，所述目标温度T1为110-160℃；以及所述目标温度T2为120-200℃。

进一步，所述重整气化学计量比为1.1-2.5。

进一步，所述空气化学计量比为1.1-5。

本发明的有益效果是，本发明的高温质子交换膜燃料电池的活化方法适用于工作温度为120-200℃的高温质子交换膜燃料电池电堆的活化，采用在线制氢的方法直接在高温燃料电池系统中完成高温质子交换膜燃料电池电堆的活化，省去搭建活化测试平台的环节，并采用甲醇水溶液高温重整生成的重整气作为活化燃料，相比纯氢作为活化燃料，提高了活化效率，减少了活化时间，进而减少了氢气的消耗，降低了活化成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的高温质子交换膜燃料电池的活化方法的流程图；

图2是本发明实施例高温质子交换膜燃料电池电堆活化加载示意图；

图3是本发明实施例高温质子交换膜燃料电池电堆活化时的电压-时间曲线；

图4是本发明对比例高温质子交换膜燃料电池电堆活化加载示意图；

图5是本发明对比例高温质子交换膜燃料电池电堆活化时的电压-时间曲线；

图6是本发明实施例和对比例高温质子交换膜燃料电池电堆活化之后的电流-电压极化曲线。

具体实施方式

现在结合附图对本发明的结构作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例1提供了一种高温质子交换膜燃料电池的活化方法，包括：步骤S1，将装配完成的高温质子交换膜燃料电池电堆安装在高温燃料电池系统中；步骤S2，启动高温燃料电池系统，以对高温质子交换膜燃料电池电堆进行活化；以及步骤S3，活化完成后，关闭高温燃料电池系统。

具体的，本发明适用于工作温度为120-200℃的高温质子交换膜燃料电池电堆的活化，采用在线制氢的方法直接在系统中完成高温质子交换膜燃料电池电堆的活化，省去搭建活化测试平台的环节，降低活化成本。

进一步，将装配完成的高温质子交换膜燃料电池电堆安装在高温燃料电池系统中的方法包括：步骤S11，将系统中的高温质子交换膜燃料电池电堆连接重整气、空气和冷却液通道，并将高温质子交换膜燃料电池电堆和直流负载相连。

进一步，所述重整气由甲醇水溶液高温重整生成；以及所述甲醇水溶液中甲醇与水的比例为1：1-1：2，优选比例为1：1.5。

进一步，所述冷却液通道中的冷却液为沸点高于高温质子交换膜燃料电池电堆工作温度的有机液体。

具体的，本发明采用甲醇水溶液高温重整生成的重整气作为活化燃料，相比纯氢作为活化燃料，提高了活化效率，减少了活化时间，进而减少了氢气的消耗，降低了活化成本。

进一步，启动高温质子交换膜燃料电池系统，以对高温质子交换膜燃料电池电堆进行活化的方法包括：

步骤S21，启动高温质子交换膜燃料电池系统，待高温质子交换膜燃料电池电堆的温度升至目标温度T1时，高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极通入重整气，其阴极通入干燥的空气，并通过直流负载逐渐加载电流至电流密度达到0.1A/cm

步骤S22，待高温质子交换膜燃料电池电堆的温度升至目标温度T2时，通过直流负载逐渐加载电流至电流密度达到0.2-0.3A/cm

步骤S23，通过直流负载逐渐加载电流至电流密度达到0.4-0.6A/cm

步骤S24，检测高温质子交换膜燃料电池电堆的电压或输出功率，若电压低于预设电压或输出功率低于预设功率，则依次重复步骤S12和步骤S13，否则完成活化。

进一步，活化完成后，关闭高温燃料电池系统的方法包括：步骤S31，通过直流负载逐渐降载电流至0A后，关闭甲醇水溶液的供应；以及降温后，高温质子交换膜燃料电池电堆的阴极使用空气持续吹扫30-60min后关闭高温燃料电池系统。

进一步，所述目标温度T1为110-160℃，目标温度T1优选为120℃；以及所述目标温度T2为120-200℃，目标温度T2优选为160℃。

进一步，所述重整气化学计量比为1.1-2.5，优选的重整气化学计量比为1.2。

进一步，所述空气化学计量比为1.1-5，优选的空气化学计量比为2。

下面对采用本申请的高温质子交换膜燃料电池的活化方法

本实施例以对一台新组装的5kW高温质子交换膜燃料电池电堆进行在线活化为例，具体活化步骤如下：

步骤1)将装配完成的5kW高温质子交换膜燃料电池电堆(100节单电池串联组成，电极有效面积为180cm

步骤2)启动系统，待高温质子交换膜燃料电池电堆温度升至120℃时，阳极通入重整气(化学计量比为1.2)，阴极通入干燥的空气(化学计量比为2)，通过直流负载逐渐加载电流至18A，并以恒电流模式在该电流下持续运行至高温质子交换膜燃料电池电堆温度升至160℃；

步骤3)调整重整气和空气流量(化学计量比分别为1.2和2)，然后通过直流负载逐渐加载电流至36A，并以恒流放电模式在该电流下持续运行0.5小时；调整重整气和空气流量(化学计量比分别为1.2和2)，通过直流负载逐渐加载电流至72A，并以恒流放电模式在该电流下持续运行0.5小时；

步骤4)活化的同时检测高温质子交换膜燃料电池电堆的电压或输出功率，若所述电压低于预设电压，或所述输出功率低于预设功率，则重复步骤3)，否则完成高温质子交换膜燃料电池电堆的活化。

步骤5)高温质子交换膜燃料电池电堆活化完成后，降载至0A，关闭甲醇水溶液的供应，降温，阴极使用空气持续吹扫60min后停机。

采用本申请活化方法的实施例在活化过程中，加载电流与时间的关系，以及电压与时间的关系分别如图2和如图3所示。

作为本实施例的对比例：

对一台新组装的5kW高温质子交换膜燃料电池电堆进行活化，具体活化步骤如下：

步骤1)将装配完成的5kW高温质子交换膜燃料电池电堆(100节单电池串联组成，电极有效面积为180cm

步骤2)对高温质子交换膜燃料电池电堆加热，待高温质子交换膜燃料电池电堆温度升至120℃时，阳极通入氢气(化学计量比为1.2)，阴极通入干燥的空气(化学计量比为2)，通过直流负载逐渐加载电流至36A，同时电堆温度缓慢升至160℃，并以恒流放电模式在36A和160℃的条件下连续运行100h或至电压稳定输出；

步骤3)电堆活化完成后，停机。

采用现有活化方法的对比例在活化过程中，加载电流与时间的关系，以及电压与时间的关系分别如图4和如图5所示。

对比采用本申请活化方法的实施例和采用现有活化方法的对比例：

如图6所示，从电堆采用不同方法活化之后的电流-电压极化曲线可以看出，通过变换负载进行电堆的甲醇水重整在线活化，能达到与纯氢长时间小电流放电活化相似的效果。即分别采用重整活化和纯氢活化之后的电堆，90A放电时，电堆功率分别能达到5.004kW和5.015kW。

综上所述，本高温质子交换膜燃料电池的活化方法适用于工作温度为120-200℃的高温质子交换膜燃料电池电堆的活化，采用在线制氢的方法直接在高温燃料电池系统中完成高温质子交换膜燃料电池电堆的活化，省去搭建活化测试平台的环节，并采用甲醇水溶液高温重整生成的重整气作为活化燃料，相比纯氢作为活化燃料，提高了活化效率，减少了活化时间，进而减少了氢气的消耗，降低了活化成本。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。