鹼性陰離子交換膜燃料電池失效膜電極恢復再生的方法
2023-05-28 14:58:51 2
鹼性陰離子交換膜燃料電池失效膜電極恢復再生的方法
【專利摘要】本發明涉及一種鹼性陰離子交換膜燃料電池失效膜電極恢復再生的方法。該方法是將失效膜電極採用強鹼性溶液進行處理，將膜電極中由於二氧化碳作用產生的HCO3-轉化為OH-，同時提高鹼性陰離子交換膜及陰離子交換樹脂內部游離OH-的濃度，恢復OH-傳導能力，從而使失效膜電極的性能得到恢復與再生。本發明的特點是在不破壞膜電極結構的情況下，經過簡單易行的方法使失效膜電極的性能得到恢復再生，延長電池運行時間。
【專利說明】鹼性陰離子交換膜燃料電池失效膜電極恢復再生的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鹼性陰離子交換膜燃料電池失效膜電極的恢復再生，具體地說是在鹼性陰離子交換膜燃料電池運行過程中，由於燃料、氧化劑攜帶的以及催化劑碳載體在電池運行過程中氧化產生的二氧化碳的影響以及陰離子交換膜和陰離子交換樹脂內部游離OH-濃度大幅下降導致的失效膜電極恢復再生的方法。
【背景技術】
[0002]鹼性陰離子交換膜燃料電池(APEFC)是一種通過電化學反應將燃料和氧化劑中的化學能直接轉變為電能的發電裝置。它是以具有OH—傳導能力的鹼性陰離子交換膜作為電解質，膜的兩側由陰、陽極催化層和陰、陽極氣體擴散層組成陰、陽極，並且催化層介於氣體擴散層與陰離子交換膜之間，陽極、陰離子交換膜及陰極組成三合一膜電極組件，通過壓合的方法壓合在一起構成鹼性陰離子膜燃料電池的核心部件-三合一膜電極(MEA)。將三合一膜電極組裝電池，燃料可採用氫氣，氧化劑可採用氧氣或者乾淨的空氣在膜電極上發生電化學反應，從而將燃料和氧化劑中的化學能直接轉變為電能。
[0003]在鹼性陰離子交換膜燃料電池中，陽極氫氧化和陰極氧還原反應都具有較高的反應活性，可採用非貴金屬催化劑，將不受鉬的資源與成本的限制，所以近年來對鹼性陰離子交換膜燃料電池的研究呈現上升趨勢。但是目前鹼性陰離子交換膜燃料電池的穩定性較差，在電池運行過程中，由於燃料、氧化劑攜帶的以及催化劑碳載體在電池運行過程中氧化產生的二氧化碳會在膜電極中產生大量的hco3_，鹼性陰離子交換膜及陰離子交換樹脂對HCO3-的傳導能力較弱， 並且隨著電池的長時間運行，HCO3-濃度不斷增加，同時鹼性陰離子交換膜及陰離子交換樹脂內部游離的0H-的濃度會不斷下降，由於上述等原因最終導致膜電極失效。
[0004]CN101140997中提到一種關於質子交換膜燃料電池失效膜電極恢復再生的方法，該方法是將由金屬離子效應和催化劑中毒導致失效的膜電極兩側加一外加電場，使電極中的有機汙染物被氧化，金屬離子遷移出催化層，從而使失效膜電極的性能得到恢復與再生。而目前在鹼性陰離子交換膜燃料電池領域，還沒有文獻/專利提到過失效膜電極恢復再生的方法。
【發明內容】
[0005]為了使鹼性陰離子交換膜燃料電池失效膜電極恢復再生，尤其是使由於燃料、氧化劑攜帶的以及催化劑碳載體在電池運行過程中氧化產生的二氧化碳的影響及陰離子交換膜和陰離子交換樹脂內部游離OH—濃度下降等原因導致的失效膜電極得到恢復與再生，本發明目的在於提供一種方法，能夠使失效後的膜電極恢復OF傳導能力，從而使失效膜電極性能的得到恢復與再生。
[0006]為達到上述目的，本發明採用的方法為:
[0007]—種鹼性陰離子交換膜燃料電池失效膜電極恢復再生的方法。其特徵在於:將失效膜電極經過一定濃度鹼性溶液處理一定時間，將二氧化碳從膜電極中遷移出，同時提高陰離子交換膜及陰離子交換樹脂內部游離0H-濃度，使其傳導OH—的能力得到恢復，再採用去離子水反覆衝洗並浸泡以去除表面殘留的鹼液，從而使失效膜電極的性能得到恢復再生。
[0008]鹼性溶液為氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鋰等鹼性溶液中的一種；
[0009]鹼性溶液的濃度在0.riOmol/L之間。
[0010]失效膜電極在鹼性溶液中陰離子交換時間為0.1~24小時。
[0011]經過鹼性溶液浸泡後的失效膜電極需要經過去離子水反覆衝洗並浸泡10-300分鐘清洗乾淨表面殘留鹼液。
[0012]失效膜電極可以經過一次鹼液處理後，還可以重複鹼液處理2次或者2次以上。
[0013]本發明的優點:
[0014](I)失效後膜電極經過鹼性溶液的浸泡，能夠將由於二氧化碳的作用產生的HCO3-轉化為0Η—，同時提高鹼性陰離子交換膜及陰離子交換樹脂內部游離的0Η—濃度，恢復傳導0Η_的能力，使失效後的膜電極性能得到恢復和再生，延長電池運行時間。
[0015](2)方法簡單，便於操作，可經過較短時間處理使失效膜電極性能得到恢復與再生。
【專利附圖】
【附圖說明】；
[0016]圖1為本發明的實施例1所述失效的膜電極經過0.5mol/L氫氧化鉀(KOH)處理I小時前後性能恢復再生的曲線圖。
[0017]圖2為本發明的實施例2所述失效的膜電極經過lmol/L氫氧化鉀(KOH)處理0.5小時前後性能恢復再生的曲線圖。
[0018]圖3為本發明的實施例3所述失效的膜電極經過lmol/L氫氧化鈉(NaOH)處理0.5小時前後性能恢復再生的曲線圖。
[0019]圖4為本發明的實施例3所述失效的膜電極經過lmol/L氫氧化鈉(NaOH)處理0.5小時前後阻抗測試圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例1
[0021 ] 工作溫度為50°C、100%RH增溼條件下恆流100mA/cm2連續運行383小時後失效的鹼性陰離子交換膜膜電極，採用0.5mol/L的氫氧化鉀(KOH)鹼性溶液進行陰離子交換處理I小時，使鹼性陰離子交換膜及陰離子交換樹脂的陰離子傳導能力得到恢復，再採用去離子水反覆衝洗3飛次並浸泡90分鐘以去除表面殘留的鹼液，最後將經過處理後的膜電極重新組裝電池，再在前述條件下運行，失效的膜電極經過前述處理方法處理，膜電極的性能得到恢復與再生，能夠繼續運行，見圖1。
[0022]實施例2 [0023]工作溫度為50°C、100%RH增溼條件下恆流100mA/cm2連續運行339小時後失效的鹼性陰離子交換膜膜電極，採用lmol/L的氫氧化鉀(KOH)鹼性溶液進行陰離子交換處理
0.5小時，使鹼性陰離子交換膜及陰離子交換樹脂的陰離子傳導能力得到恢復，再採用去離子水反覆衝洗3飛次並浸泡120分鐘以去除表面殘留的鹼液，最後將經過處理後的膜電極重新組裝電池，再在前述條件下運行，失效的膜電極經過前述處理方法處理，膜電極的性能得到恢復與再生，能夠繼續運行，見圖2。
[0024]實施例3
[0025]工作溫度為50°C、100%RH增溼條件下恆流100mA/cm2連續運行64小時失效的鹼性陰離子交換膜膜電極，採用lmol/L的氫氧化鈉(NaOH)鹼性溶液進行陰離子交換處理0.5小時，使鹼性陰離子交換膜及陰離子交換樹脂的陰離子傳導能力得到恢復，再採用去離子水反覆衝洗3飛次並浸泡120分鐘以去除表面殘留的鹼液，最後將經過處理後的膜電極重新組裝電池，再在前述條件下運行，失效的膜電極經過前述處理方法處理，膜電極的性能得到恢復與再生，能夠繼續運行，電池電壓恢復情況見圖3，處理前後阻抗測試結果見圖4。
【權利要求】
1.鹼性陰離子交換膜燃料電池失效膜電極恢復再生的方法，其特徵在於:將失效膜電極經過強鹼性溶液處理，將由於膜電極中二氧化碳作用產生的HC03_轉化為0H_，同時提高陰離子交換膜及陰離子交換樹脂內部游離OH—濃度，使其傳導OH—的能力得到恢復，再採用去離子水反覆衝洗並浸泡以去除膜電極表面殘留的鹼液，從而使失效膜電極的性能得到恢復再生。
2.根據權利要求1所述的恢復與再生的方法，其特徵在於:強鹼性溶液為氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鋰中的一種。
3.根據權利要求1或2所述的強鹼性溶液，其特徵在於:強鹼性溶液的濃度在0.1~10mol/L 之間。
4.根據權利要求1所述的恢復與再生方法，其特徵在於:失效膜電極在強鹼性溶液中陰離子交換處理的時間為0.1~24小時。
5.根據權利要求1所述的恢復與再生方法，其特徵在於:失效膜電極經過鹼性溶液陰離子交換後，需要 經過去離子水反覆衝洗，並浸泡10-300分鐘去除表面殘留鹼液。
6.根據權利要求1所述的恢復與再生方法，其特徵在於:失效膜電極可以經過一次鹼液處理，或者重複鹼交換處理2次或者3次以上。
【文檔編號】H01M8/02GK103972523SQ201310039573
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月31日 優先權日:2013年1月31日
【發明者】俞紅梅, 劉豔喜, 趙雲, 邵志剛, 衣寶廉 申請人:中國科學院大連化學物理研究所