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1、引言
MEA在开始工作后快速达到最佳性能的过程称为MEA的活化过程。制备MEA的过程中，由于热压会导致膜脱水变干，而失水的全氟磺酸质子交换膜（PEMFC）的导电性会大大降低，因此，在将MEA装入电池测试装置之前，需要进行活化处理，以确保MEA充分吸收水分。电堆维修后的MEA活化工艺与一般情况下的MEA活化工艺存在差异，其主要体现在更换后MEA的安装位置和活化工艺上。电堆维修的方法一般是将受损的MEA以及其相邻的两片或多片进行更换，并通过一定的策略对电堆进行二次活化和性能标定。
目前常见的电堆MEA活化工艺主要分为三种，分别为恒流自然活化、恒流强制活化和变流强制活化工艺，恒流自然活化、恒流强制活化和变流强制活化工艺相关参数如表1所示。除了PEMFC，电堆活化工艺还被应用于微生物燃料电池、固体氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池中。目前为止，完成全新车用PEMFC电堆的活化需要较长的时间，一般为2～48 h。
恒流自然活化和强制恒流活化所采用的电流密度、电池温度和气体压力较低，所用的活化时间也较长，活化时间长达24～48 h。采用经改进的变流强制活化电堆需要5～12 h进行活化。因此，从活化时间上来看，基于变流强制活化的方法是一种快速高效的电堆维修后活化策略。变流强制活化工艺为了快速高效的使电堆的性能最大化，在基于恒流自然活化和恒流强制活化的方法上进行了优化，通过快速变化电流，并对电堆施加一定量的压力或其他相关量参数。通过改变电流加载、测试参数（提高温度及压力等）、活化工艺（连续式、中断式）等多种方式的组合达到快速活化。
 表1 电堆活化工艺相关参数
（注释：①常压：指满足电堆初始散热需求下的水流量进入电堆的自然压力；②额定冷却水压力：指满足电堆额定工作散热需求下的水流量进入电堆的压力，根据客户需求可施加除常压外的压力或不施加压力）
2、电堆维修后活化工艺
PEMFC电堆维修后活化在更换MEA时一般将受损的MEA及相邻的两片或多片MEA抽出，并将新的MEA放在配气头侧或放在末节端板侧或放在整堆中间或均分至整堆。就上述更换MEA后位置种类，现在更多会选择放在配气头侧或均分至整堆，只存在极少数因电堆整堆固定方式的特殊性而选择放在末节端板侧。
通过快速变化电流，并对电堆施加一定量的压力或其他相关量参数。通过改变电流加载、测试参数（提高温度及压力等）、活化工艺（连续式、中断式）等多种方式的组合达到快速活化。每满5个循环后，在额定电流点停留10 s，原则上升载时长不超过20 s，降载时长不超过10 s，5个小循环为一个大循环，每个大循环时长不超过180 s。每3大循环进行一次放电，采取小电流法进行放电，放电时长≤20 s，总共运行10个大循环，10个大循环总时长≤1000 s。用于变流强制活化的参比工况谱如图1所示。
图1 用于变流强制活化的参比工况谱
图2为某型号电堆维修后且更换位置为配气头侧，并使用此策略的案例。实验过程中，根据测试条件设置，前后端为单片电压采集，中间为双片电压采集。
图 2 电堆维修后电压分布情况（变流强制活化）
返厂维修后，将巡检显示112、113、124、125、136、137对应的节数拆除，并将新MEA更换至巡检显示1、2、3、4、5、6，更换后通过变流强制活化，活化总时长为0.5 h，活化完成后单节采样平均单片电压为0.624 V，最大离均差为10 mV，相比更换前最大离均差为22 mV，减小12 mV，离均差减小了54.55 %；最小离均差为3 mV，相比更换前最小离均差11 mV，减小8 mV，离均差减小了72.73 %，电堆整体一致性有所提升，标准差为3 mV。
针对恒流自然活化、恒流强制活化和变流强制活化工艺，准备3个电堆，电堆节数为330片，电化学活性面积为375 cm²，更换MEA片数8片，更换位置均为配气头侧，通过三种活化方法进行相应测试，并得出相关测试曲线，如图3为电堆实际测试产生结果。
图3 同一电密下三种方式活化后的单片电压趋势
综上所述，本研究提出了针对电堆维修后的MEA活化的不同策略，并对其效果进行了评估。将电堆维修的MEA放置在电堆配气头侧，并采用变流强制活化工艺，活化时长大大缩短，且对于性能提升具有显著帮助，此活化方式也可应用于全新电堆的下线测试，大大提高交付效率。
这些研究结果对于提高电堆维修后的活化效率和性能具有重要意义。未来的研究可以进一步探索更高效的活化方法，并解决电堆维修后的典型问题，以提高电堆的性能和耐久性。
上海汽检氢能与燃料电池检测研究实验室通过不断开发新型工具及测试方案（比如建立了用于大功率PEMFC电堆维修后恢复性能的“变流强制活化”的快速活化方法），对电堆的内部电压、电流、温度等各个工况进行监测分析，更为具体的对电堆状态进行描述，在大大提高试验效率的同时，显著提高了电堆企业的研发速度，上海汽检在电堆试验方案开发技术服务能力如图4所示。
 图4 上海汽检电堆试验方案开发技术服务 |
