回收PEM燃料电池膜电极组件的部件的方法技术

通过使ＰＥＭ燃料电池的膜电极组件（ＭＥＡ）与低碳烷基醇溶剂接触可以回收ＭＥＡ，所述溶剂使膜与该组件的阳极和阴极层分离。可以在温和条件下将含有聚合物膜和负载型贵金属催化剂的所得溶液加热，以使聚合物膜以粒子形式分散并通过已知过滤装置分离负载型贵金属催化剂和聚合物膜粒子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及PEM燃料电池膜电极组件的部件的回收方法。
技术介绍
燃料电池将燃料和氧化剂(它们在位置上彼此分处在两个电极处)转 换成电力、热和水。可以使用氢或富氢气体作为燃料，使用氧或空气作为 氧化剂。燃料电池中的能量转换过程以特别高的效率为特征。聚合物电解 质膜燃料电池(PEM燃料电池)的紧凑设计、功率密度和高效率使其适合 用作能量转换器，且由于这些原因，与电动杌拔用的PEM燃料电池正越 来越重要地成为传统内燃机的替代品。氢/氧型燃料电池依赖于造成电子和电能的生成和流动的阳极和阴极 反应，成为许多用途的有效电源。iL/氧燃料电池中的阳极和阴极反应可以 如下表示H2 —2H++2e—(阳极)l/2 02+2e- —H20 (阴极)各PEM燃料电池单元含有位于双极板(也称作隔板，其用于供应气 体和导电)之间的膜电极组件。膜电极组件(MEA)由两面都带有反应层 (即电极)的聚合物电解质膜构成。反应层之一呈用于将氢氧化的阳极形 式，第二反应层呈用于将氧还原的阴极形式。将由碳纤维纸或碳纤维织物 或布制成的气体分布层粘贴到电极上，它们使得反应气体可良好到达电极， 并使电流从电池良好地导出。阳极和阴极含有电催化剂，其为特定反应(分 别是氢的氧化和氧的还原)提供催化支持。优选使用元素周期表铂族中的 金属作为催化活性组分。使用载体催化剂，其中催化活性的铂族金属以高度分歉的形式施用到传导性载体材料表面上。铂族金属的平均微晶尺寸为大约1至10纳米。微粒炭黑经证实是有效的载体材料。聚合物电解质膜由质子传导性的聚合物材料构成。这些材料在下文又被称作离子交联聚合物。 优选使用具有酸官能、特别是硫酸基团的四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物。这种类型的材料例如由E.I.DuPont以商品名Nafion⑧出售。但是，也可以使 用其它离子交联聚合物材料，特别是无氟的实例，如磺酸化的聚醚酮或芳 基酮或聚苯并咪唑。燃料电池由于其高能量效率(热机循环无法企及)、其潜在的燃料灵 活性及其极低的排放已被推广为运输动力源。燃料电池具有用于固定和车 辆动力用途的潜力；但是，燃料电池在固定和运输用途中用于发电的商业 可行性取决于许多制造、成本和耐久性问题的解决。最重要的问题之一是燃料电池的质子交换催化剂的成本。用于低温燃 料电池的最有效的催化剂是贵金属，例如铂，它们非常昂贵。有些人估计， 这类催化剂的总成本为制造低温燃料电池的总成本的大约80% 。在典型方法中，将大约0.5至4毫克/平方厘米的所需贵金属催化剂以 油墨形式或使用复杂的化学程序施用到燃料电池电极上。这类方法要求施 用相对大载量的贵金属催化剂，以制造具有所需电催化活性水平的燃料电 池电极，特别是对于低温用途。这类催化剂的花费导致必须降低燃料电池 所需的催化剂的量或载量。这需要有效的施用该催化剂的方法。近年来，已经开发出许多沉积方法，包括辊涂、喷涂、溶液浇注/热压、 和电化学催化，以用于制造PEM燃料电池的Pt催化剂层。在是氬/氧燃料电池的情况下，已经针对降低配制物中昂贵的铂催化剂 的量对催化剂施用方法作出 一些改进。例如通过合并溶解的全氟磺酸酯离 子交联聚合物(Nation )、载体催化剂(碳载Pt)、甘油和水来实现组 合物的开发。这造成低铂栽量电极的使用。下列公开文献教导了用于氢/ 氧燃料电池的这些方法中的一些授予Wilson的美国专利5，234，777; M. S, Wilson等人，J. App. Electrochem" 22 (1992) l画7; C. Zawodzinski等人， Electrochem. Soc. Proc，第95-23巻(1995) 57-65; A. K. Shukla等人，J.App. Electrochem.， 19(1989) 383-386;授予Messell的美国专利5，702，755; 授予Mussell的美国专利5,859,416;授予Hards等人的美国专利5,501,915。 为了降低对油进口的依赖性，已经建i义美国经济应以氢而非烃为^>5出。 PEM燃料电池的成功在部分上支持当前围绕氩经济的环境。如上所述， PEM燃料电池制造商的主要成本是用作催化电极的贵金属，例如钿。重要 地，Nafion⑧膜也是相对昂贵的材料，并构成燃料电池堆成本的一部分。 通常，燃料电池的平均寿命为大约l年。膜中的针孔和催化剂失活是降低 PEM燃料电池的效率并因此缩短其有效寿命的一些诱因。件，可以解决与PEM燃料电池的制造和使用相关的几个成本问题。首先， 铂催化剂的回收再利用对满足该金属的全球需求是重要的，并有助于维持 该金属的合理价格。铂从MEA中的当前商业回收涉及膜的燃烧和灰分的 加工。这种才几制是有用的，因为这产生了可出于商业交换的目的进行检测 的灰分。遗憾的是，这种现有方法有两个缺点。首先，含氟聚合物Nafion⑧ 膜和在气体扩散层中常用的PTFE的点燃会产生HF气体，这是腐蚀性的 并危害健康。HF气体的排放受到严格管制，并且即使采用气体洗涤，炉 处理量也由于残留HF而受到限制。其次，Nafion⑧膜的燃烧破坏了昂贵的 增值材料。共同待审的美国专利申请11/110,406指出，通过使MEA与低碳烷基 醇溶剂接触，可以回收膜电极组件的Pt/碳催化剂层。根据，406申请，低碳 烷基醇破坏了膜与附着的Pt/碳催化剂层之间的结合，可实现Pt催化剂层 与完整的膜的分离。使含有碳氟化合物的离子交联聚合物M的方法是已知的，它们可用 于回收膜，包括美国专利6，150，426和4,433,082中公开的那些。，426专利 公开了通过将高度氟化的离子交换聚合物在压力下^L在水性液体M介 质中而制备聚合物的方法。根据，426专利，可以在压力下、在150'C至 350。C的优选温度将该聚合物^L在基本由水构成的介质中。在，082专利 中，提供了通过使全氟化聚合物与25至100重量％水和0至75重量％第二液体组分(例如低碳醇，例如丙醇或曱醇)的混合物在至少18ox:的温 度接触来制造全氟化聚合物的液体组合物的方法。但是，由于^t含氟聚 合物膜的高压和高温要求，这些方法往往在成本上不可行。已经提出用于MEA回收的其它方法。这些方法没有在本专利技术的程度 上解决回收问题。例如， 一种方法使用熔融法从MEA中回收贵金属。在 含钓盐的焊剂中加工3层MEA。这以CaF2的形式吸收了釋，放的HF。但 是破坏了 MEA膜的价值。另一方法溶解MEA膜，并拔二汉重浇该膜并再 利用回收的电极催化剂。经驺^表明，该膜的物理性质在老化过程中改变。 用较低分子量聚合物重浇薄膜可能产生具有与用原始聚合物制成的膜不同 性质的膜。因此，有用的是，提供回收PEM燃料电池的膜电极组件的替代方法， 由此以高收率回收贵金属，并完全回收Nafion⑧或其它含氟聚合物膜以用 于可能的再利用。这种方法没有严重的环境问题，例如形成HF气体，可 以使用较少的能量用运行，由此该方法促进了以回收的贵金属的检测为基 础的商业往来，这有助于促进氢经济。专利技术概要现已发现，使用低碳烷基醇溶液、在温和加热条件下加热该溶液、并 通过过滤将贵金属催化剂与离子交联聚合物膜分离，可以回收MEA的贵 金属催化剂和聚合物电解质膜或含碳氟化合本文档来自技高网...

【技术保护点】
回收来自ＰＥＭ燃料电池的膜电极组件的方法，所述膜电极组件包含含碳氟化合物的离子交联聚合物薄膜和涂布在所述薄膜的至少一面上的负载型贵金属催化剂，其中所述方法包括下述步骤：　（ａ）使所述膜电极组件与含有至少一种Ｃ１至Ｃ８烷基醇的溶剂接触， 接触时间足以使所述离子交联聚合物薄膜与所述负载型贵金属催化剂分离；　（ｂ）将所述溶剂加热至足以使所述离子交联聚合物薄膜在所述溶剂中分散成聚合物粒子的温度；和　（ｃ）将所述分散的聚合物粒子与所述负载型贵金属催化剂分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：L朔尔，
申请(专利权)人：巴斯福催化剂公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]