一种恢复燃料电池电堆性能的方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种恢复燃料电池电堆性能的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，其中约有50％的能量以热量的形式散出，因此燃料电池往往需要具有较高比热容的冷却液，如乙二醇基冷却液等作为热传导介质来带走电堆运行时所产生的热量。燃料电池电堆中的双极板在运行时起到了电子、气体传输的作用，并将冷却液和气体相互分隔，然而在实际运行过程中，由于双极板的长时间工作或者其他部件的设计缺陷会导致冷却液渗漏到膜电极中，对膜电极造成污染，从而致使膜电极性能快速下降。由于渗漏的持续发生，会使膜电极上残留的冷却液含量急剧增加直至膜电极性能下降到无法使用。

一般来说，乙二醇基冷却液进入燃料电池反应区会与催化剂中Pt活性位点发生反应，降低催化剂的反应活性。乙二醇对膜电极带来的宏观影响主要表现为开路电压OCV的剧烈降低，其具体原因为乙二醇在Pt催化剂表面电氧化过程中生成的中间产物会引起Pt表面中毒失去催化反应活性。由此在电堆运行过程中，膜电极单体电压一致性严重下降，影响到燃料电池发动机的正常使用。

目前针对燃料电池膜电极受冷却液污染后的性能恢复问题，大部分通过在燃料电池测试平台上升高氢气和空气的气体计量比。然而由于污染后的膜电极性能较差，往往只能在开路状态下或者低电流密度下进行高气体通量吹扫，由此一方面会导致膜电极中的质子交换膜产生严重的化学衰减，另一方面也会造成氢气资源的浪费。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中受冷却液污染燃料电池电堆恢复时间长且恢复工艺可能会对其中的质子交换膜造成衰减等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种恢复燃料电池电堆性能的方法。通过先通入大气量加湿氮气进行附着在膜电极上冷却液的快速消除，然后升高电堆温度使催化剂处于最优催化活性的温度范围内，最后通入氢气和空气并快速增加至高电流密度进行残余冷却液的去除和膜电极性能恢复。

本发明的目的是提供一种恢复燃料电池电堆性能的方法，包括以下步骤，

(1)在电堆的阴极和阳极分别通入氮气，所述氮气的湿度为80％-100％；

(2)对电堆进行预升温处理；

(3)将电堆的电流密度拉载至1.5A/cm

在本发明的一个实施例中，所述燃料电池为冷却液污染的燃料电池。

在本发明的一个实施例中，所述冷却液为乙二醇防冻液。

在本发明的一个实施例中，所述乙二醇防冻液中乙二醇的体积浓度为40％-50％。

在本发明的一个实施例中，在步骤(1)中，所述氮气的流量为50L/min-300L/min；通气时间为10min-40min。

在本发明的一个实施例中，在步骤(2)中，所述预升温处理的温度为70℃-80℃；时间为10min-40min。

在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述拉载的速率为10A/s-40A/s。

在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述空气的计量比为1.8-3.0；湿度为60％-100％；压力为100kPa-150kPa。

在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，所述氢气的计量比为1.3-1.8；湿度为60％-100％；压力为100kPa-150kPa。

在本发明的一个实施例中，在步骤(3)中，气体的通入时间为0.5h-4h。

进一步地，气体的通入时间为0.5h-2h。

本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的方法通过预先通入大气量加湿氮气来快速消除附着在膜电极上的冷却液，避免了现有技术所选用的大计量比氢气和空气下进行长时间恢复活化的资源和时间浪费，同时也规避了现有技术低电流密度下恢复活化所造成的质子交换膜化学衰减；升高电堆温度并保持一段时间再进行电流加载可使催化剂发挥最优催化活性，极大的减小了活化极化损失，缓解了部分残留冷却液带来的放电性能衰减；最后通入氢气和空气并快速增加至高电流密度，通过生成水和高通量的加湿气体完成了催化层上的残余冷却液的去除和膜电极的性能恢复。

(2)本发明所述的方法既能高效快速的去除膜电极上的冷却液，又能使膜电极恢复至污染前的性能。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明实施例1的33节短堆滴加乙二醇防冻液之后的OCV柱状图；

图2为本发明实施例1的33节短堆滴加乙二醇防冻液前后的平均电压-电流密度曲线；

图3为本发明实施例2的48节短堆滴加乙二醇防冻液之后的OCV柱状图；

图4为本发明实施例2的48节短堆滴加乙二醇防冻液前后的平均电压-电流密度曲线；

图5为本发明实施例3的单电池滴加乙二醇防冻液前后的OCV柱状图；

图6为本发明实施例3的单电池滴加乙二醇防冻液前后的电压-电流密度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

一种恢复燃料电池电堆性能的方法，具体包括以下步骤：

(1)冷却液污染试验模拟：选用33节短堆进行冷却液污染试验，其中膜电极为一种常用的商用膜电极，冷却液为体积浓度为50％的乙二醇防冻液。通过将乙二醇防冻液直接滴在部分膜电极的气体扩散层上来模拟实际运行过程中的乙二醇防冻液渗漏现象，其中受污染膜电极编号为#5、#10、#15、#20和#25。

33节短堆中#5、#10、#15、#20和#25膜电极滴加乙二醇后开路状态下的单体电压变化情况如图1所示，从图1可以看出#5、#10、#15、#20和#25由于受到乙二醇防冻液的污染问题而均发生电压下降，这也表明冷却液污染试验模拟成功，接下来开始对本33节电堆进行性能恢复。

(2)具体恢复方法如下：

1)向电堆的阴极和阳极通入加湿氮气，氮气流量为200L/min，氮气湿度为80％，氮气通气时间为30min。

2)对电堆进行预升温处理，将冷却水温度设置为75℃，使催化剂处于最优催化活性的温度范围内并保持20min。

3)通过电子负载控制拉载速度为20A/s，将电流密度拉载至1.8A/cm

在进行如上恢复操作之后，对33节短堆进行了降载极化曲线的测试，如图2所示，其中电压取值为33节单体的平均电压。从图2中可以看出，在1.0A/cm

实施例2

一种恢复燃料电池电堆性能的方法，具体包括以下步骤：

(1)冷却液污染试验模拟：选用48节短堆进行冷却液污染试验，其中膜电极为一种常用的商用膜电极，冷却液为体积浓度为50％的乙二醇防冻液。通过将乙二醇防冻液直接滴在部分膜电极的气体扩散层上来模拟实际运行过程中的乙二醇防冻液渗漏现象，其中受污染膜电极编号为#5、#10、#15、#20、#25、#30、#35、#40和#45。

48节短堆中#5、#10、#15、#20、#25、#30、#35、#40和#45膜电极滴加乙二醇后开路状态下的单体电压变化情况如图3所示，从图3可以看出#5、#10、#15、#20、#25、#30、#35、#40和#45由于受到乙二醇防冻液的污染问题而均发生电压下降，这也表明冷却液污染试验模拟成功，接下来开始对本48节电堆进行性能恢复。

(2)具体恢复方法如下：

1)向电堆的阴极和阳极通入加湿氮气，氮气流量为300L/min，氮气湿度为90％，氮气通气时间为40min。

2)对电堆进行预升温处理，将冷却水温度设置为70℃，使催化剂处于最优催化活性的温度范围内并保持40min。

3)通过电子负载控制拉载速度为30A/s，将电流密度拉载至2.0A/cm

在进行如上恢复操作之后，对48节短堆进行了降载极化曲线的测试，如图4所示，其中电压取值为48节单体的平均电压。从图4中可以看出，在1.0A/cm

实施例3

一种恢复燃料电池电堆性能的方法，具体包括以下步骤：

(1)冷却液污染试验模拟：选用单电池进行冷却液污染试验，其中膜电极为一种常用的商用膜电极，冷却液为体积浓度为40％的乙二醇防冻液。通过将乙二醇防冻液直接滴在单片膜电极的气体扩散层上来模拟实际运行过程中的乙二醇防冻液渗漏现象。

单电池中的膜电极滴加乙二醇后开路状态下的单体电压变化情况如图5所示。从图5可以看出，膜电极由于受到乙二醇防冻液的污染问题而发生电压下降，OCV已降至0.838V，这也表明冷却液污染试验模拟成功，接下来开始对本单电池进行性能恢复。

(2)具体恢复方法如下：

1)向单电池的阴极和阳极通入加湿氮气，氮气流量为50L/min，氮气湿度为100％，氮气通气时间为20min。

2)对单电池进行预升温处理，将冷却水温度设置为80℃，使催化剂处于最优催化活性的温度范围内并保持30min。

3)通过电子负载控制拉载速度为10A/s，将电流密度拉载至1.5A/cm

在进行如上恢复操作之后，对单电池进行了降载极化曲线的测试，结果如图6所示。从图6可以看出，在1.0A/cm

对比例1

基本同实施例3，不同之处在于，步骤(2)中，不进行步骤2)的预升温处理。

在进行如上恢复操作之后，对单电池进行了降载极化曲线的测试。在1.0A/cm

对比例2

基本同实施例3，不同之处在于：

(1)步骤(1)中，冷却液为体积浓度为50％的乙二醇防冻液。

(2)步骤(2)中，步骤3)的电流密度拉载至0.8A/cm

在进行如上恢复操作之后，对单电池进行了降载极化曲线的测试。在1.0A/cm

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。