本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的活化方法。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(pemfc)是依靠电化学原理工作的一种能量转换装置。其凭借高能量转换效率、零污染、室温快速启动等优势被认为是未来新能源汽车的理想动力源，已在世界范围内掀起了一股研究热潮。
质子交换膜燃料电池工作原理与氢氧直接反应不同，在质子交换膜燃料电池中，采用质子传导膜在空间上分离氢气和氧气反应物，以至于使化学键重构所必须的电子转移能够在更广泛的长度量级下发生，也就是当电子从燃料物质转化到氧化剂物质时，就形成了电流。质子交换膜燃料电池工作时主要包括以下几个步骤：反应物传输、电化学反应、离子和电子传导以及产物排出。也正是由于以上几个过程，想要使燃料电池达到最佳性能，往往需要对电池进行活化处理，目的是为了使膜电极充分润湿，充分打通反应物传输通道、水传输通道、离子和电子传输通道，使膜电极结构达到最佳运行状态。因此，电池活化对于电池性能影响至关重要。
现有的活化工艺主要是对电池进行强制加载活化，该类方法往往使电池在恒电位或恒电流条件下运行一段时间，该类活化方法往往活化速度慢，活化时间长，活化不均匀，活化过程消耗大量氢气并且不能使活化后的电池保持最佳运行状态。因此有必要提出一种活化效率更高的活化方法，使得燃料电池发挥其最佳性能。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了弥补上述技术缺陷而提供一种质子交换膜燃料电池的活化方法，用于提高燃料电池的活化效率以及提升燃料电池活化后的性能。
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的活化方法，所述方法为：将活化后的质子交换膜燃料电池(如恒流或恒压放电活化后的质子交换膜燃料电池)的阴阳极气体切换成干燥氮气，对电池进行吹扫，吹扫完成后，将燃料电池密封并放入高低温试验箱中进行冰冻/解冻循环，循环完成后电池恢复室温即活化完成。
基于上述方案，优选地，上述方法具体包括以下步骤：
步骤一：将燃料电池置于测试平台上，检查燃料电池气密性，设置燃料电池工作温度，温度范围为60-80℃；
步骤二：当燃料电池达到预设温度后，向阴极通入增湿空气或氧气，向阳极通入增湿氢气；
步骤三：设置电子负载为恒压或恒流模式，对质子交换膜燃料电池加载30～120min；
步骤四：将阴阳极气体切换成干燥氮气，对电池进行吹扫，排除燃料电池内的反应气和水；
步骤五：吹扫完成后，将燃料电池密封并放入高低温试验箱中进行冰冻/解冻循环，解冻完成后电池恢复室温即活化完成。
基于上述方案，优选地，所述步骤二中通入的增湿空气或氧气的相对湿度为30％～100％，空气化学计量比为1～3.5，背压为50～100kpa。
基于上述方案，优选地，步骤二中通入的增湿氢气的相对湿度为30％～100％，氢气化学计量比为1～3.5，背压为50～100kpa；
基于上述方案，步骤三中恒压或恒流模式加载燃料电池的电压和电流范围优选为0.3～0.8v，500～1500ma/cm2。
基于上述方案，步骤四中干燥氮气的吹扫时间由阴极出口气体的相对湿度而定，优选的阴极出口气体相对湿度为5％～50％。
进一步，步骤五中冰冻温度优选为-10℃～-30℃，解冻温度优选≥20℃，冰冻时间优选为2～6h，解冻时间优选为0.5-2h。
更进一步，步骤五中冰冻解冻循环次数优选为1～10次。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用本发明所提供的的活化方法，可以大大缩短放电活化的时间。普通放电活化少则需要4小时，多则需要数天，而采用本发明所提供的活化方法放电活化的时间可以减少到2小时以内。与此同时，长时间放电活化需要消耗大量氢气，例如：一节单电池以250a的电流活化(以电极面积为250cm2，活化电流密度为1000ma/cm2为例)，氢气化学计量比以1计，放电活化1小时需要消耗约104.5l氢气，而商业化电堆往往是由几百节电池并联组成，其耗气量巨大。因此，本发明可以节省氢气的用量。
(2)本发明在冰冻前进行干气吹扫，一方面可以排出电池内部大部分水，保证冰冻过程中电池不会发生损伤；另一方面，吹扫过程有利于电池内部水的再分布，在吹扫过程中，电池内部不同区域之间会由于水的浓度差和压力差引起横向和纵向传递，这有利于连通电极内部水传递通道，提升活化效果。
(3)本发明采用的冰冻解冻的活化策略，冰冻解冻过程中离聚物内部，电极孔隙内存在微量的水，这些水受高低温的影响发生冻融循环，使得水传输和质子传输通道得到进一步打通，其活化效果优于普通放电活化，经过冰冻解冻后，电池活化性能得到明显提升。
(4)采用本发明所述的活化方法，由于活化时间缩短，可以减少放电活化平台的使用率，提高电堆生产能力，具有一定的商业价值。
附图说明
图1为实施例1和对比例1中质子交换膜燃料电池活化前后极化曲线图
图2为实施例2和对比例2中质子交换膜燃料电池活化前后极化曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实例采用实验室规模，有效面积为5cm2的单电池作为研究对象，采用石墨双极板、涂有微孔层的碳纸构成的气体扩散层、阴阳极采用铂碳催化剂，其中铂催化剂担量分别为0.4mg/cm2和0.2mg/cm2的催化层，质子交换膜采用全氟磺酸质子交换膜(nafion211，厚度为25um)。
将上述电池组装完成后按如下方法进行活化：
步骤一：将燃料电池置于测试平台上，检查燃料电池气密性，设置燃料电池工作温度为65℃；
步骤二：当燃料电池达到预设温度后，向阴极通入100％增湿的空气，流量为800ml/min，背压为50kpa；向阳极通入100％增湿的氢气，流量为100ml/min，背压为50kpa；
步骤三：设置电子负载为恒流模式，以1000ma/cm2电流密度进行恒流放电活化1h；
步骤四：将阴阳极气体切换成干燥氮气，以1l/min的流量吹扫至阴极出口气体相对湿度为5％；
步骤五：吹扫完成后，将燃料电池密封并放入高低温试验箱中在-20℃条件下冰冻2h，然后再在20℃条件下解冻1h。
完成上述步骤后在与步骤一、二相同的条件下进行极化性能测试，结果如图1所示。
对比例1
采用与实施例1相同的电池和测试条件。
将上述电池组装完成后按如下方法进行活化：
步骤一：将燃料电池置于测试平台上，检查燃料电池气密性，设置燃料电池工作温度为65℃；
步骤二：当燃料电池达到预设温度后，向阴极通入100％增湿的空气，流量为800ml/min，背压为50kpa；向阳极通入100％增湿的氢气，流量为100ml/min，背压为50kpa；
步骤三：设置电子负载为恒流模式，以1000ma/cm2电流密度进行恒流放电活化4h；
完成上述步骤后在与步骤一、二相同的条件下进行极化性能测试，结果如图1所示。
从图中可以看出，采用本发明所述的活化方法，放电活化时间仅为1h，其活化性能高于普通放电活化4h的活化效果。在1100ma/cm2电流密度条件下，电压增加幅度约为5.86％，且氢气用量仅为普通活化的1/4。
对比例2
本实例采用商业化规模，单节有效面积为270cm2的两节燃料电池短堆作为研究对象，采用金属双极板、涂有微孔层的碳纸构成的气体扩散层、阴阳极采用铂碳催化剂，其中铂催化剂担量分别为0.4mg/cm2和0.2mg/cm2的催化层，质子交换膜采用全氟磺酸质子交换膜(厚度约18um)。
步骤一：将燃料电池置于测试平台上，检查燃料电池气密性，设置燃料电池工作温度为60℃；
步骤二：当燃料电池达到预设温度后，向阴极通入60％增湿的空气，化学计量比为3.5，背压为100kpa；向阳极通入不增湿的氢气，背压为100kpa；
步骤三：设置电子负载为恒流模式，以1000ma/cm2电流密度进行恒流放电活化20h；
完成上述步骤后在与步骤一、二相同的条件下进行极化性能测试，结果如图2所示。
实施例2
采用与对比例2相同的电池和测试条件。
在对比例2完成极化性能测试后，按如下步骤进行活化。
步骤一：将阴阳极气体切换成干燥氮气，以8l/min的流量吹扫至阴极出口气体相对湿度为10％；
步骤二：吹扫完成后，将燃料电池密封并放入高低温试验箱中在-15℃条件下冰冻2h，然后再在40℃条件下解冻1h。
步骤三：重复步骤二5次。
完成上述步骤后再进行极化性能测试，结果如图2所示。
从图2可以看出，对于商业化电池采用恒流活化20小时后其性能仍未达到最佳状态，当继续采用本发明所述的活化方法活化后，其性能得到明显提升，平均提升率约为4.47％。
1.一种质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，将活化后的质子交换膜燃料电池的阴阳极气体切换成干燥氮气，对电池进行吹扫，吹扫完成后，将燃料电池密封并放入高低温试验箱中进行冰冻/解冻循环，循环完成后电池恢复室温即活化完成。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：将燃料电池置于测试平台上，检查燃料电池气密性，设置燃料电池工作温度，温度范围为60-80℃；
步骤二：当燃料电池达到预设温度后，向阴极通入增湿空气或氧气，向阳极通入增湿氢气；
步骤三：设置电子负载为恒压或恒流模式，对质子交换膜燃料电池加载30～120min；
步骤四：将阴阳极气体切换成干燥氮气，对电池进行吹扫，排除燃料电池内的反应气和水；
步骤五：吹扫完成后，将燃料电池密封并放入高低温试验箱中进行冰冻/解冻循环，解冻完成后电池恢复室温即活化完成。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，步骤二中通入的增湿空气或氧气的相对湿度为30％～100％，空气化学计量比为1～3.5，背压为50～100kpa。
4.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，步骤二中通入的增湿氢气的相对湿度为30％～100％，氢气化学计量比为1～3.5，背压为50～100kpa。
5.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，步骤三中恒压或恒流模式加载燃料电池的电压范围为0.3～0.8v，电流范围为500～1500ma/cm2。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，干燥氮气的吹扫时间由阴极出口气体的相对湿度而定，阴极出口气体相对湿度范围为5％-50％。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，冰冻/解冻循环过程中，冰冻温度为-10℃～-30℃，解冻温度≥20℃，冰冻时间为2～6h，解冻时间为0.5-2h。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的活化方法，其特征在于，冰冻解冻循环次数为1～10次。
技术总结