本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法。
背景技术：
为了使阴极开放式空冷燃料电池能达到或快速达到最佳工作状态，并提高膜电极中催化剂的利用率，一般都需要对阴极开放式空冷燃料电池的膜电极进行活化。膜电极的催化层是阴极开放式空冷燃料电池反应的核心区域，而阴极催化层又是反应最复杂的地方，因为在阴极不仅有反应气体向电极内传输，还有产物水向外排出，如果反应气体不能充分地满足反应的需要，或者产物水不能及时排出，都会很大程度上影响反应的效率，使阴极开放式空冷燃料电池无法达到满意的功率输出。实际上，在制备膜电极的过程中，膜电极的结构并没有达到最优化。这是因为：
（1）催化层一般由全氟磺酸（nafion）和催化剂两种主要物质组成，全氟磺酸起传导质子以粘接催化剂的作用。在两者的混合过程中，会有部分催化剂的活性表面被全氟磺酸覆盖，使反应气体无法达到催化剂表面。
（2）催化层在催化剂/全氟磺酸（nafion）浆料的涂布过程中，随着溶剂的挥发可以使催化剂表面产生一定量的空隙，这些空隙的存在有利于气体的传输。但一部分空隙会在涂布过程中被堵塞，在催化剂表面形成了封闭孔和半封闭孔，而反应气体很难进到这些孔内与催化剂接触。
（3）在膜电极的热压过程中，由于催化层被压缩，也会封闭一些孔。
反应气体主要是依靠膜电极内部的孔向内传输，但是由于上述问题使催化层的孔被封闭导致催化层的孔隙率降低，增加了反应气体的传输障碍，使得反应气体无法完全被催化剂催化反应，造成阴极开放式空冷燃料电池无法达到理想的功率输出。
改善这一问题的重要方法之一就是优化膜电极的孔结构，对阴极开放式空冷燃料电池的膜电极进行活化，使气体传输能够顺利进行。
对阴极开放式空冷燃料电池的膜电极进行活化的一般方法为采用大电流强制放电的方法对阴极开放式空冷燃料电池膜电极进行活化，即通过对阴极开放式空冷燃料电池施加电流密度在1.2a/cm2左右的电流，来实现膜电极的活化。这种活化的原理是：在高电流密度下，生成水的量相应增大，产物水向外扩散，可以改善阴极的孔结构，使水和气体的传输更加顺畅；产物水也向阳极进行反扩散，使质子交换膜的水合程度提高，降低了欧姆电阻和质子传导阻抗。
专利文献us6730424公开了一种膜电极的活化方法，该方法为一种通过用于在阴极生成氢气而改善氢气/空气燃料电池性能的方法，特别是对于空气阴极，所述燃料电池包括阳极、阴极、质子交换膜，所述方法包括以下步骤：（1）将增湿的氢气通入阳极；（2）将氢气或者增湿的惰性气体通入阴极或者在用惰性气体除去阴极的空气后关闭进气口，敞开出气口，以及（3）给燃料电池施加电流，以电源的负极连接阴极，正极连接阳极。该方法利用电化学的原理，改善阴极结构，从而实现膜电极的活化。所述电化学活化的原理是：将阳极通入增湿的氢气，阳极通入增湿的惰性气体（氮气或者氩气）以保证阴极的气体流动；在燃料电池两极施加电压，进行强制放电，使阳极氢气以氢离子的方式通过催化层和质子交换膜，并由于电渗作用渗透到阴极，在渗透到阴极的过程中重新生成氢气；在阴极产生的氢气打开原来催化层上的孔，改善阴极的孔结构，从而实现膜电极的活化。
专利文献cn1697228a公开了一种与上述原理相同的有机燃料电池的活化方法，该方法包括使来自于外电流的电源流过所述燃料电池，所述外电源的正极和负极与所述燃料电池的阳极和阴极连接，同时分别给所述燃料电池提供有机燃料和惰性气体。该方法也是依靠氢的“电渗”作用实现膜电极的活化。
上述方法仍存在一定的缺陷，如方法的控制复杂，费用高，活化过程中需消耗大量的氢气和空气，活化后的燃料电池输出功率仍然不理想，效率有限等。
技术实现要素：
为克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，能够达到阴极开放式空冷燃料电池活化的目的，增加阴极开放式空冷燃料电池气体和水的传输通道，提高传质效率，使阴极开放式空冷燃料电池具有较高的输出功率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案，提供一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，应用于阴极开放式空冷质子交换膜燃料电池，所述活化方法包括以下步骤：
步骤1、将膜电极、双极板、密封圈、集流板和端板组装成满足预设气密性条件的电堆，以形成阴极开放式空冷燃料电池；
步骤2、对经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池进行润湿处理，以便所述膜电极内部的湿度满足预设润湿条件；
步骤3、对经过步骤2处理的所述阴极开放式空冷燃料电池进行封闭处理，以防止所述阴极开放式空冷燃料电池内部的水流失；
步骤4、将经过步骤3处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度低于冰点的环境中，以便所述水在所述膜电极的内部凝结成固态冰。
步骤5、将经过步骤4处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度高于冰点的环境中，以便所述固态冰融化。
优选的，所述步骤1之后，所述步骤2之前，还包括步骤1a：将所述阴极开放式空冷燃料电池与外部的气源连通，使用所述气源输出的干燥的惰性气体对所述阴极开放式空冷燃料电池的气体流道进行吹扫，以清除所述阴极开放式空冷燃料电池内部的杂质气体。
优选的，所述步骤1之后，所述步骤2之前，还包括步骤1b：对通入经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极的燃料进行加温加湿处理。
优选的，所述步骤1b具体为，对通入经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极的气体进行加温加湿处理，并控制所述阴极开放式空冷燃料电池的气体入口位置处的通入气体的加湿温度低于所述阴极开放式空冷燃料电池的工作温度。
优选的，所述燃料进行加温加湿处理，以控制所述阴极和阳极的燃料的相对湿度为50%。
优选的，所述润湿处理，包括：
将所述阴极开放式空冷燃料电池与外部的电路连通，使所述阴极开放式空冷燃料电池以预设电流密度的电流进行放电；
在所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极两侧分别通入水，同时加压；或；
使用电渗方式驱动水对所述阴极开放式空冷燃料电池进行润湿。
优选的，所述步骤4具体为，将经过步骤3处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于设定温度为-40℃至-10℃的低温环境试验箱中，当所述低温环境试验箱达到所述设定温度并稳定后，所述阴极开放式空冷燃料电池静置4小时，以便所述水在所述膜电极的内部凝结成固态冰。
优选的，所述步骤5具体为：将经过步骤4处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于设定温度为25℃的低温环境试验箱中，当所述低温环境试验箱达到所述设定温度并稳定后，所述阴极开放式空冷燃料电池静置4小时，以便所述固态冰融化。
本发明的有益效果是：一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，应用于阴极开放式空冷质子交换膜燃料电池，包括以下步骤：步骤1、将膜电极、双极板、密封圈、集流板和端板组装成满足预设气密性条件的电堆，以形成阴极开放式空冷燃料电池；步骤2、对经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池进行润湿处理，以便所述膜电极内部的湿度满足预设润湿条件；步骤3、对经过步骤2处理的所述阴极开放式空冷燃料电池进行封闭处理，以防止所述阴极开放式空冷燃料电池内部的水流失；步骤4、将经过步骤3处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度低于冰点的环境中，以便所述水在所述膜电极的内部凝结成固态冰；步骤5、将经过步骤4处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度高于冰点的环境中，以便所述固态冰融化。该阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，将润湿的膜电极置于冰点以下的低温储藏环境，使水在膜电极内部凝结成固态冰，体积增大，催化层的孔隙率增大，进一步增加了气体和水的传输通道，提高传质效率，使阴极开放式空冷燃料电池具有较高的输出功率，达到阴极开放式空冷燃料电池活化的目的。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池的膜电极的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池的低温储藏过程示意图；
图3示出了本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池的低温活化原理图；
图4示出了本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池的测试连接结构示意图；
图5示出了本发明实施例的膜电极在普通活化、-10℃低温活化和-40℃低温活化后的阴极开放式空冷燃料电池性能对比图；
附图标记说明如下：
1-阴极；2-阳极；3-阳极气体扩散层；4-阳极催化层；5-质子交换膜；6-阴极催化层；7-阴极气体扩散层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅附图1，其是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池的膜电极的结构示意图。阴极开放式空冷燃料电池的膜电极由阴极1、阳极2、阳极气体扩散层3、阳极催化层4、质子交换膜5、阴极催化层6和阴极气体扩散层7构成，阴极1和阳极2之间由质子交换膜5隔开。其中，气体扩散层起收集电流的作用。催化层的涂布分两种情况，一种是将催化剂涂覆在气体扩散层的中间层表面，另一种是直接将催化剂涂覆在膜的两侧。本发明实施例的质子交换膜燃料电池是一种直接将氢气与氧气中的化学能通过电化学反应转化为电能的能量转换装置，具有能量效率高、清洁、启动快、工作温度低等优点，在交通运输、便携式电源、固定发电、应急备用电源等领域具有广阔的应用前景。特别是阴极开放式空冷质子交换膜燃料电池，无需增湿和空压机等部件,具有结构简单、便于维护等特点,非常适合用作便携电源和应急电源。
作为一种示例，本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，应用于阴极开放式空冷质子交换膜燃料电池，所述活化方法包括以下步骤：
步骤1、将膜电极、双极板、密封圈、集流板和端板组装成满足预设气密性条件的电堆，以形成阴极开放式空冷燃料电池。
具体地，电堆即为发电单元，主要由膜电极、双极板、密封圈、集流板和端板等组成。其中，双极板在阴极开放式空冷燃料电池中起到分隔反应物，并保证反应物均匀传输及产物及时排出的作用。集流板在电堆中连接各个双极板及外部负载，形成电子传输通道，进而起到发电的作用。端板在电堆中起压缩固定阴极开放式空冷燃料电池的作用。密封圈分为两种情况，在阴极开放式空冷燃料电池电堆的组装过程中，膜电极、双极板和集流板通常采用橡胶垫圈或者密封胶进行密封，而集流板和端板之间采用导热绝缘密封垫片进行组装密封，对端板和集流板的加工精度和表面平整度要求更高。本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，必须将膜电极组装成电堆并加压（或者采用夹具）后才能进行低温活化，不能就单独膜电极润湿低温活化，否则会造成含水量不均匀，催化层脱落，膜电极性能下降等不良后果。
具体地，将阴极开放式空冷燃料电池的膜电极、双极板、密封圈、集流板和端板等组装成电堆，装堆压力为0.4-0.5mpa。对该阴极开放式空冷燃料电池进行气密性测试时，测试气体压力为0.05mpa，以保证电堆的气密性良好。所述预设气密性条件为预先设置的对应测试气体压力的气体压力值，具体数值大小可根据使用场景设置。
步骤2、对经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池进行润湿处理，以便所述膜电极内部的湿度满足预设润湿条件。
具体地，所述预设润湿条件的设置原则为，阴极开放式空冷燃料电池的膜电极在低温储藏之前必须保持充分润湿，使得内部残留的水不能太少，否则低温活化效果不明显；同时含水量也不可过多，阴极开放式空冷燃料电池内部不能出现明显的积水，否则低温处理过程会造成膜电极上催化层的脱落。在具体使用场景中根据上述设置原则调整所述预设润湿条件的润湿度要求。
具体地，所述润湿处理为将阴极开放式空冷燃料电池与负载或者外部电源连通成回路，阴极开放式空冷燃料电池以恒定的电流密度进行放电，经过放电过程在所述阴极开放式空冷燃料电池内通过电化学反应产生产物水，该产物水润湿所述阴极开放式空冷燃料电池的膜电极组件。电流密度限定为0.8-1.2a/cm2，优选为1.0a/cm2，放电过程运行0.5-2小时，优选为1小时。
步骤3、对经过步骤2处理的所述阴极开放式空冷燃料电池进行封闭处理，以防止所述阴极开放式空冷燃料电池内部的水流失。
具体地，所述阴极开放式空冷燃料电池在润湿处理，如恒定电流密度下放电结束后需要进行封闭，以防止所述阴极开放式空冷燃料电池内部的水流失。所述封闭处理为关闭电子负载，切断阴极和阳极燃料的供应，将阴极开放式空冷燃料电池的氢气路、空气路出入口封死，也就是将阴极开放式空冷燃料电池的所有气路的出口和入口全部封闭。或者用隔膜将阴极开放式燃料电池与外界环境完全隔离，防止膜电极内部水分的流失，此过程要迅速，以防止阴极开放式空冷燃料电池内部水分的流失，保证膜电极始终处于润湿状态。
步骤4、将经过步骤3处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度低于冰点的环境中，以便所述水在所述膜电极的内部凝结成固态冰。
具体地，所述温度低于冰点的环境即为冰点以下（温度＜0℃）的低温储藏环境，所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度低于冰点的环境中，水在膜电极内部结冰，体积增大，催化层的孔隙率增大，进一步增加了气体和水的传输通道，提高传质效率。本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，需要将所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度低于冰点的环境中储藏，所以该阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法也可称为阴极开放式空冷燃料电池膜电极的低温活化方法。
步骤5、将经过步骤4处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度高于冰点的环境中，以便所述固态冰融化。
具体地，所述温度高于冰点的环境包括所有能够提供零上温度的环境以及设备。而所述温度低于冰点的环境包括所有能够提供零下温度环境的任意设备，比较常用的是低温环境试验箱。
本发明实施例中的阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，将润湿的膜电极置于冰点以下的低温储藏环境，使水在膜电极内部凝结成固态冰，体积增大，催化层的孔隙率增大，进一步增加了气体和水的传输通道，提高传质效率，使阴极开放式空冷燃料电池具有较高的输出功率，达到阴极开放式空冷燃料电池活化的目的。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述步骤1之后，所述步骤2之前，还包括步骤1a：将所述阴极开放式空冷燃料电池与外部的气源连通，使用所述气源输出的干燥的惰性气体对所述阴极开放式空冷燃料电池的气体流道进行吹扫，以清除所述阴极开放式空冷燃料电池内部的杂质气体。
具体地，所述阴极开放式空冷燃料电池通过燃料电池测试台连接阴极开放式空冷燃料电池的氢气路，使用干燥的惰性气体对阴极开放式空冷燃料电池的气体流道进行吹扫清理，排除内部残留的杂质气体，可以进一步优化膜电极的低温活化效果。所述惰性气体可以为氮气、氩气等。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述步骤1之后，所述步骤2之前，还包括步骤1b：对通入经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极的燃料进行加温加湿处理。
具体地，通入所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极的燃料一般为氢气和氧气（或空气），这些气体在使用前一般都存储于高压气体钢瓶内，处于压缩状态，当压缩气体从高压气体钢瓶内输出时会出现膨胀吸热现象。所以为保证从高压气体钢瓶内输出的压缩气体在输入阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极时的湿度是稳定的，在对这些气体加湿的同时还需要同时加温。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述步骤1b具体为，对通入经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极的气体进行加温加湿处理，并控制所述阴极开放式空冷燃料电池的气体入口位置处的通入气体的加湿温度低于所述阴极开放式空冷燃料电池的工作温度。
具体地，为了保持燃料的适当流量，保持膜电极始终处于润湿状态，防止由于加温加湿的阳极和阴极气体的温度过高，导致在通入温度低于气体温度的阴极开放式空冷燃料电池内部后气体中的水分凝结成水滴，优选情况下，入口气体的加湿温度低于阴极开放式空冷燃料电池的工作温度。阳极燃料压力和阴极燃料压力均选择为0.05mpa，阴极风扇转速占风比选择为90%。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述燃料进行加温加湿处理，以控制所述阴极和阳极的燃料的相对湿度为50%。
具体地，为了保证阴极开放式空冷燃料电池内部具有满意的湿度环境，有利于质子交换膜的水合，在将燃料通入阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极前，优选的将阴极和阳极燃料加温、加湿得到增湿的阴极和阳极燃料，所述阴极和阳极燃料的相对湿度优选为50%。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述润湿处理，包括：
将所述阴极开放式空冷燃料电池与外部的电路连通，使所述阴极开放式空冷燃料电池以预设电流密度的电流进行放电；
在所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极两侧分别通入水，同时加压；或；
使用电渗方式驱动水对所述阴极开放式空冷燃料电池进行润湿。
具体地，步骤2中的润湿处理的方法，可以为阴极开放式空冷燃料电池的放电润湿，或者在阴极开放式空冷燃料电池阴极和阳极两侧通入水并加压进行润湿，还可以是通过电渗驱水的方法，使膜电极充分润湿。需要说明的是，本领域技术人员可以理解，以上润湿处理的方法仅为举例说明，并不对本发明的技术方案构成限定。在具体使用场景中可根据实际情况，选择适合的润湿处理的方法。且上述列举的润湿方法，对本领域技术人员而言均属于现有技术，此处不再就具体实现方式进行赘述。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述步骤4具体为，将经过步骤3处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于设定温度为-40℃至-10℃的低温环境试验箱中，当所述低温环境试验箱达到所述设定温度并稳定后，所述阴极开放式空冷燃料电池静置4小时，以便所述水在所述膜电极的内部凝结成固态冰。
具体地，参阅附图2，其是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池的低温储藏过程示意图。其中，environmenttestchamber表示低温环境试验箱，air表示空气，h2表示氢气，coolant表示冷却剂，stack表示阴极开放式空冷燃料电池电堆。将阴极开放式空冷燃料电池置于低温环境试验箱中，设置温度为＜0℃，优选为-40℃至-10℃，到达设定温度并稳定后，静置4小时。其中，所述阴极开放式空冷燃料电池的静置时间根据阴极开放式空冷燃料电池电堆重量进行动态调节，电堆越重，时间越长，比如，如果电堆重量小于1.5kg，放置时间为2h。
在一些实施例中，在上述实施例的基础上，所述步骤5具体为：将经过步骤4处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于设定温度为25℃的低温环境试验箱中，当所述低温环境试验箱达到所述设定温度并稳定后，所述阴极开放式空冷燃料电池静置4小时，以便所述固态冰融化。
具体地，鉴于本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池在低温储藏过程已经被置于低温环境试验箱中，待水在膜电极内凝结为固态冰后，可以直接修改低温环境实验箱的设定温度，让阴极开放式空冷燃料电池的试验环境温度升至室温25℃，当所述低温环境试验箱再次达到所述设定温度并稳定后，静置4小时，以便所述固态冰融化。这样的操作方式简单快速且易实现。其中，所述阴极开放式空冷燃料电池的静置时间根据阴极开放式空冷燃料电池电堆重量进行动态调节，电堆越重，时间越长，比如，如果电堆重量小于1.5kg，放置时间为2h。
以下具体说明本发明实施例提供的阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法的低温活化原理。参阅附图3，其是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池的低温活化原理图。其中，h2orair表示氢气或空气，catalyst表示催化剂，h2o表示水，ice表示冰。
本发明实施例提供的阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，首先让阴极开放式空冷燃料电池在大电流（0.8-1.2a/cm2）环境下运行，阴极侧的空气与阳极侧反应生成的水合氢离子反应生成水，由于大电流密度下阴极侧生成的水较多，与阳极侧形成较大的浓度差，阴极侧的部分水会反渗透迁移到阳极侧，由此，在大电流密度下阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极都能得到良好的润湿。结束放电运行后，不对阴极开放式空冷燃料电池进行任何吹扫操作，使水分留在阴极开放式空冷燃料电池内部，阴极和阳极两侧保持充分润湿的状态，放入冰点以下的低温环境中（-40℃至-10℃，一般选择-20℃）静置4小时。
由于目前膜电极的生产工艺一般采用的都是溅射、涂布和转印的方法，并且是多层覆盖，会造成催化层在靠近质子交换膜的一侧形成致密层，半封闭孔和封闭孔的数量较多，阻碍气体的传输，降低催化效率，燃料电池输出功率不佳。而在冰点以下的低温环境下（-40℃至-10℃，一般选择-20℃），充分润湿的膜电极的阴极和阳极残留在内部的水会在冰点（0℃）以下结冰，水在常温下的密度为0.9998g/cm3，冰的密度为0.9168g/cm3，由于水在低温下结冰的冻胀效应，体积增大约9%，造成催化剂致密层的孔隙率增大，改善了阴极和阳极结构，减小了气体传输阻碍，增加了气体和水的传输通道，提高了反应气体传质效率和催化剂利用率。
与现有技术相比，本发明实施例提供的阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，即阴极开放式空冷质子交换膜燃料电池膜电极的活化方法，能够增加阴极开放式空冷燃料电池气体和水的传输通道，提高传质效率，使电池具有较高的输出功率，从而达到阴极开放式空冷燃料电池活化的目的。
具体地，将本发明实施例中的阴极开放式空冷燃料电池，置于燃料电池测试台，进行极化曲线测试，验证其活化效果。参阅附图4，其是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池的测试连接结构示意图。其中，实线表示管线，点划线表示用于电流、电压和温度测试的连接线，air表示空气，h2表示氢气，coolant表示冷却剂，stack表示阴极开放式空冷燃料电池电堆，diwater表示去离子水，hydrogencylinder表示氢气瓶，air/oxygencylinder表示空气/氧气瓶，nitrogencylinder表示氮气瓶，fcteststation表示fc测试机，pcfordaq表示控制机。
试验条件应符合如下规定：
阴极开放式空冷燃料电池测试温度：60-80℃，优选70℃；
环境温度：室温20-30℃；
低温环境温度：-40℃至-10℃，优选-20℃，温度误差控制在±2℃。
参阅附图5，其是本发明实施例的膜电极在普通活化、-10℃低温活化和-40℃低温活化后的阴极开放式空冷燃料电池性能对比图。其中，voltage表示电压值，currentdensity表示电流密度。从附图5中可知，极化曲线测试结果表明，与普通活化方法相比，采用本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法活化后的阴极开放式空冷燃料电池输出功率明显提升，阴极开放式空冷燃料电池的性能得以提升，达到了阴极开放式空冷燃料电池膜电极更优的活化效果，且从极化曲线中看出，阴极开放式空冷燃料电池输出功率明显提升主要集中在传质区，进一步佐证了该活化原理。
本发明实施例中的阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，可以增加气体和水的传输通道，操作简单，活化效率高，电极有效反应面积增大，效果稳定，显著提高了阴极开放式空冷燃料电池输出功率，可以进行大规模批量应用。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
1.一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，应用于阴极开放式空冷质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述活化方法包括以下步骤：
步骤1、将膜电极、双极板、密封圈、集流板和端板组装成满足预设气密性条件的电堆，以形成阴极开放式空冷燃料电池；
步骤2、对经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池进行润湿处理，以便所述膜电极内部的湿度满足预设润湿条件；
步骤3、对经过步骤2处理的所述阴极开放式空冷燃料电池进行封闭处理，以防止所述阴极开放式空冷燃料电池内部的水流失；
步骤4、将经过步骤3处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度低于冰点的环境中，以便所述水在所述膜电极的内部凝结成固态冰；
步骤5、将经过步骤4处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于温度高于冰点的环境中，以便所述固态冰融化。
2.根据权利要求1所述的一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，其特征在于，所述步骤1之后，所述步骤2之前，还包括步骤1a：将所述阴极开放式空冷燃料电池与外部的气源连通，使用所述气源输出的干燥的惰性气体对所述阴极开放式空冷燃料电池的气体流道进行吹扫，以清除所述阴极开放式空冷燃料电池内部的杂质气体。
3.根据权利要求1所述的一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，其特征在于，所述步骤1之后，所述步骤2之前，还包括步骤1b：对通入经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极的燃料进行加温加湿处理。
4.根据权利要求3所述的一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，其特征在于，所述步骤1b具体为，对通入经过步骤1处理的所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极的气体进行加温加湿处理，并控制所述阴极开放式空冷燃料电池的气体入口位置处的通入气体的加湿温度低于所述阴极开放式空冷燃料电池的工作温度。
5.根据权利要求3所述的一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，其特征在于，所述燃料进行加温加湿处理，以控制所述阴极和阳极的燃料的相对湿度为50%。
6.根据权利要求1所述的一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，其特征在于，所述润湿处理，包括：
将所述阴极开放式空冷燃料电池与外部的电路连通，使所述阴极开放式空冷燃料电池以预设电流密度的电流进行放电；
在所述阴极开放式空冷燃料电池的阴极和阳极两侧分别通入水，同时加压；或；
使用电渗方式驱动水对所述阴极开放式空冷燃料电池进行润湿。
7.根据权利要求1所述的一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，其特征在于，所述步骤4具体为，将经过步骤3处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于设定温度为-40℃至-10℃的低温环境试验箱中，当所述低温环境试验箱达到所述设定温度并稳定后，所述阴极开放式空冷燃料电池静置4小时，以便所述水在所述膜电极的内部凝结成固态冰。
8.根据权利要求1所述的一种阴极开放式空冷燃料电池膜电极的活化方法，其特征在于，所述步骤5具体为：将经过步骤4处理的所述阴极开放式空冷燃料电池置于设定温度为25℃的低温环境试验箱中，当所述低温环境试验箱达到所述设定温度并稳定后，所述阴极开放式空冷燃料电池静置4小时，以便所述固态冰融化。
技术总结