專利名稱：：一種燃料電池的活化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體地說是涉及一種燃料電池的活化方法，特別是涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池的活化方法。
背景技術(shù)：
：燃料電池是一種通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為低壓直流電的裝置。燃料電池具有能量效率高、沒有或極少產(chǎn)生污染物排放等優(yōu)點，這是傳統(tǒng)的化石燃料所不具備的。在當(dāng)今化石燃料即將耗竭的形勢下，燃料電池作為新能源越來越受到重視。質(zhì)子交換膜燃料電池是燃料電池的一種。在這種電池中氫氣或富含氫氣的氣體作為燃料，氧氣或含氧氣的空氣作為氧化劑。燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了質(zhì)子。質(zhì)子交換膜幫助質(zhì)子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。在陰極區(qū)氧氣在催化劑表面得到電子形成負(fù)離子并與陽極區(qū)遷移過來的質(zhì)子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用下式表示陽極反應(yīng)H2—2f+2e陰極反應(yīng)l/202+2H"+2e—H20由上式可以看出，在質(zhì)子交換膜燃料電池中，這種質(zhì)子交換膜既起到分隔氧化氣體和燃料氣體的作用，又起到傳導(dǎo)質(zhì)子的作用。質(zhì)子交換膜一般使用以一CF2一為主鏈，以磺酸基(一S03H)為末端官能團(tuán)的帶有側(cè)鏈的材料，其在含水時可以具備質(zhì)子傳導(dǎo)性電解質(zhì)的性能。因此，在質(zhì)子交換膜燃料電池呈工作狀態(tài)時，電解質(zhì)一般需為含水狀態(tài)，含水狀態(tài)的電解質(zhì)呈強酸性。但是，這種質(zhì)子交換膜燃料電池很難在瞬時獲得高性能的電池輸出。在形成質(zhì)子交換膜燃料電池后馬上使其工作時，即使將電池溫度維持在規(guī)定溫度，將供給氣體的溫度和加濕量控制在一定程度，一般也難以在瞬時獲得高性能的電池輸出。其原因在于，一方面，由于對電池的電極擴(kuò)散層進(jìn)行了防水處理，因此要使完全未潤濕的初期電極擴(kuò)散層進(jìn)行水合需要較長時間；另一方面，與包含在電極催化劑中的高分子電解質(zhì)同樣的材料的充分吸濕也需要較長時間；再者，即使將電池溫度維持在規(guī)定溫度，并長時間提供溫度、加濕量控制在規(guī)定程度的供給氣體，但在無負(fù)載狀態(tài)下，要使電極擴(kuò)散層水合也不容易，而且與包含在電極催化劑中的高分子電解質(zhì)同樣的材料也難以吸濕，若以高電流密度連續(xù)發(fā)電，勉強在數(shù)日后可能會使電池發(fā)出本來具備的高性能電池功率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池的活化方法，可以解決上述問題，本發(fā)明的方法通過在活化中多次重復(fù)連續(xù)地分段地強制提高燃料電池的輸出電流，降低燃料電池的輸出電壓后，再連續(xù)地分段地減小電池的輸出電流提高電池的輸出電壓的操作步驟，可以在較短的時間內(nèi)對燃料電池進(jìn)行充分的活化，使電池發(fā)出本來具備的高性能，該方法是一種效果較好的燃料電池活化方法。本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案進(jìn)行的本發(fā)明提供的燃料電池的活化方法，是在質(zhì)子交換膜燃料電池形成后，通過一種特定的發(fā)電程序，對電池進(jìn)行充分活化，具體包括如下的步驟第一步，連續(xù)地分段地強制提高燃料電池的輸出電流，降低燃料電池的輸出電壓；第二步，連續(xù)地分段地減小電池的輸出電流，提高電池的輸出電壓；重復(fù)上述兩個步驟，直到達(dá)到電池的設(shè)計輸出性能。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，在上述第一步中，優(yōu)選將單電池的輸出電壓降低至0-0.5V，在上述第二步中，優(yōu)選將單電池的輸出電壓提高至0.4-0.8V。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，在上述第一步中，優(yōu)選將單電池的輸出電壓降低至0.3-0.8V，在上述第二步中，優(yōu)選將電池開路。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，燃料電池中所使用的燃料氣體為氫氣，所使用的氧化氣體為氧氣或空氣。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所使用的燃料氣體可以加濕，也可以不加濕。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所使用的氧化氣體可以加濕，也可以不加濕。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述的設(shè)計輸出性能根據(jù)電池材料的不同，膜電極制作工藝不同，工作條件的不同而不同。本發(fā)明提供的燃料電池的活化方法通過多次重復(fù)連續(xù)地分段地強制提高燃料電池的輸出電流，降低燃料電池的輸出電壓后再連續(xù)地分段地減小電池的輸出電流提高電池的輸出電壓的操作步驟，來提高燃料電池催化層的催化活性，提高膜電極的含水量，提高膜電極的性能，從而對電池進(jìn)行充分活化，使電池發(fā)出本來具備的高性能。圖1為實施例1中的燃料電池活化前后性能比較，其測試條件:堆溫5(TC;氫、空氣均不加濕；空氣為常壓，空氣配比為4倍當(dāng)量；氫氣尾氣循環(huán)，氫氣壓力為0.03Mpa，氫氣配比為1.5倍當(dāng)量；圖2為實施例2中的燃料電池活化前后性能比較，其測試條件:堆溫50°C;氫氣不加濕，空氣加熱到45"，濕度為100%;空氣為常壓，空氣配比為4倍當(dāng)量；氫氣尾氣循環(huán)，氫氣壓力為0.03Mpa，氫氣配比為1.5倍當(dāng)量；圖3為實施例3中的燃料電池活化前后性能比較，其測試條件:堆溫50°C;氫氣、空氣均加熱到45。C，濕度為100%;空氣為常壓，空氣配比為4倍當(dāng)量；氫氣尾氣循環(huán)，氫氣壓力為0.03Mpa，氫氣配比為1.5倍當(dāng)量。具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明的活化方法作進(jìn)一步說明。實施例1采用常溫、常壓風(fēng)冷型氫空燃料電池作為研究對象，電池運行溫度在48-50'C，采用離心風(fēng)機(jī)供給常壓空氣進(jìn)行散熱，燃料氣體為純氫氣，工作壓力為0.03Mpa;氧化氣體為空氣，采用離心風(fēng)機(jī)向電池陰極區(qū)配送反應(yīng)空氣，空氣工作壓力在500pa以下，氫氣、空氣均不加濕，氫氣采用尾氣循環(huán)結(jié)構(gòu)，其配比為1.5倍當(dāng)量，空氣的配比為4倍當(dāng)量。當(dāng)按照常規(guī)的方法制成燃料電池后，接通外負(fù)載，按表l所示的放電程序進(jìn)行活化，其中，第一步為連續(xù)地分段地強制提高燃料電池的輸出電流，降低燃料電池的輸出電壓；第二步為連續(xù)地分段地減小電池的輸出電流，提高電池的輸出電壓。循環(huán)放電120分鐘后達(dá)到設(shè)計輸出性能，電池活化完畢。表l、電池活化程序<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>比較活化前后電池性能，如圖1所示，可以看出按表1這樣循環(huán)放電活化電池，可以穩(wěn)定地提高電池的電性能，迅速達(dá)到活化的目的。實施例2同樣采用常溫、常壓風(fēng)冷型氫空燃料電池作為研究對象，電池運行溫度在48-50°C，采用離心風(fēng)機(jī)供給常壓空氣進(jìn)行散熱，燃料氣體為純氫氣，工作壓力為0.03Mpa;氧化氣體為空氣，采用離心風(fēng)機(jī)向電池陰極區(qū)配送反應(yīng)空氣，空氣工作壓力在500pa以下，氫氣不加濕，空氣加熱到45。C，濕度為100%，氫氣采用尾氣循環(huán)結(jié)構(gòu)，其配比為1.5倍當(dāng)量，空氣的配比為4倍當(dāng)量。當(dāng)按照常規(guī)的方法制成燃料電池后，接通外負(fù)載，按表2所示的放電程序進(jìn)行活化，其中，第一步為連續(xù)地分段地強制提高燃料電池的輸出電流，降低燃料電池的輸出電壓；第二步為將電池開路。循環(huán)放電90分鐘后達(dá)到設(shè)計輸出性能，電池活化完畢表2、電池活化程序二<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>比較活化前后電池性能，如圖2所示，可以看出采用該方法活化電池，同等電壓下得到更大的電流，增大了電池的活性。實施例3同樣采用常溫、常壓風(fēng)冷型氫空燃料電池作為研究對象，電池運行溫度在48-5(TC，采用離心風(fēng)機(jī)供給常壓空氣進(jìn)行散熱，燃料氣體為純氫氣，工作壓力為0.03Mpa;氧化氣體為空氣，采用離心風(fēng)機(jī)向電池陰極區(qū)配送反應(yīng)空氣，空氣工作壓力在500pa以下，氫氣、空氣均加熱到45"，濕度為100%，氫氣采用尾氣循環(huán)結(jié)構(gòu)，其配比為1.5倍當(dāng)量，空氣的配比為4倍當(dāng)量。當(dāng)按照常規(guī)的方法制成燃料電池后，接通外負(fù)載，按表3所示的放電程序進(jìn)行活化，其中，第一步為連續(xù)地分段地強制提高燃料電池的lr出電流，降低燃料電池的輸出電壓；第二步為將電池開路。循環(huán)放電90分鐘后達(dá)到設(shè)計輸出性能，電池活化完畢表3、電池活化程序三活化步驟單電池平均電壓(V)工作時間(S)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>比較活化前后電池性能，如圖3所示，可以看出分段活化電池，可以將電池充分的活化，增大額定電壓下的輸出電流。一般設(shè)定單電池額定電壓為0.6V。這種溫和的活化方式可以減少對膜的損壞。權(quán)利要求1、一種燃料電池的活化方法，該燃料電池所使用的燃料氣體為氫氣，所使用的氧化氣體為氧氣或空氣，該方法是在質(zhì)子交換膜燃料電池形成后，通過如下的步驟對電池進(jìn)行活化第一步，連續(xù)地分段地強制提高燃料電池的輸出電流，降低燃料電池的輸出電壓；第二步，連續(xù)地分段地減小電池的輸出電流，提高電池的輸出電壓；重復(fù)上述兩個步驟，直到達(dá)到電池的額定輸出性能。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的活化方法，其特征在于，所述第一歩中，將單電池的輸出電壓降低至0-0.5V;所述第二歩中，將單電池的輸出電壓提高至0.4-0.8V。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的活化方法，其特征在于，所述第一步中，將單電池的輸出電壓降低至0.3-0.8V;所述第二步中，將電池開路。4、根據(jù)權(quán)利要求l、2或3所述的燃料電池的活化方法，其特征在于，所述燃料氣體為加濕或不加濕的。5、根據(jù)權(quán)利要求l、2或3所述的燃料電池的活化方法，其特征在于，所述的氧化氣體為加濕或不加濕的。全文摘要本發(fā)明涉及一種燃料電池的活化方法，其為通過多次重復(fù)連續(xù)地分段地強制提高燃料電池的輸出電流，降低燃料電池的輸出電壓后再連續(xù)地分段地減小電池的輸出電流提高電池的輸出電壓的操作步驟，來提高燃料電池催化層的催化活性，提高膜電極的含水量，提高膜電極的性能，從而對電池進(jìn)行充分活化，使電池發(fā)出本來具備的高性能。文檔編號H01M8/10GK101414688SQ20071017602公開日2009年4月22日申請日期2007年10月17日優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日發(fā)明者張寶春,張文虎,超李,李海清,韓麗莉申請人:北京航天發(fā)射技術(shù)研究所