燃料電池質子交換膜的處理裝置的製作方法

2023-05-22 19:46:06 1

專利名稱：燃料電池質子交換膜的處理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種淨化處理設備，尤其涉及一種燃料電池質子交換膜的處理裝置。
背景技術：
燃料電池是一種能夠將燃料與氧化劑發生電化學反應時產生的化學能轉變成電能的裝置。該裝置的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極由一張質子交換膜和夾在膜兩面的兩張可導電多孔性擴散材料(如碳紙)組成，在膜電極與導電材料接觸的兩邊界面上均勻分布有細小分散的可引發電化學反應的催化劑(如金屬鉑)。膜電極兩邊用導電物體將發生電化學反應過程中產生的電子通過外電路引出，就構成了電流迴路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(如碳紙)，並在催化劑表面發生電化學反應，失去電子形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端-陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體(如空氣)，通過滲透穿過多孔性擴散材料(如碳紙)，並在催化劑表面發生電化學反應，得到電子形成負離子，該負離子進一步與從陽極端遷移過來的正離子結合，形成反應產物。
在以氫氣為燃料、以含有氧氣的空氣為氧化劑(或以純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區發生失去電子的催化電化學反應，形成氫正離子(質子)，其電化學反應方程式為
氧氣在陰極區發生得到電子的催化電化學反應，形成負離子，該負離子進一步與從陽極端遷移過來的氫正離子結合，形成反應產物水。其電化學反應方程式為
燃料電池中的質子交換膜除了用於發生電化學反應以及遷移交換反應中產生的質子外，其作用還包括將含有燃料氫氣的氣流與含有氧化劑(氧氣)的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆炸式反應。
在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極一般放在兩塊導電的極板之間，兩極板上均開設有導流槽，因此又稱作導流極板。導流槽開設在與膜電極接觸的表面上，通過壓鑄、衝壓或機械銑刻形成，其數量在一條以上。導流極板可以由金屬材料製成，也可以由石墨材料製成。導流極板上的導流槽的作用是將燃料或氧化劑分別導入膜電極兩邊的陽極區或陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極和兩塊導流極板，兩塊導流極板分設在膜電極兩邊，一個作為陽極燃料的導流極板，另一個作為陰極氧化劑的導流極板。這兩塊導流極板既作為電流集流板，也是膜電極兩邊的機械支撐。導流極板上的導流槽既是燃料或氧化劑進入陽極或陰極表面的通道，也是將電池運行過程中生成的水帶走的出水通道。
為了增大質子交換膜燃料電池的功率，通常將兩個或兩個以上的單電池通過直疊的方式或平鋪的方式連在一起組成電池組，或稱作電池堆。這種電池組通常通過前端板、後端板及拉杆緊固在一起成為一體。在電池組中，位於兩質子交換膜之間的極板的兩面都設有導流槽，稱為雙極板。雙極板的其中一面作為一個膜電極的陽極導流面，另一面則作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面。一個典型的電池組通常還包括1)燃料及氧化劑氣體的進口和導流通道。其作用是將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整後得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；2)冷卻流體(如水)的進、出口與導流通道。其作用是將冷卻流體均勻地分布到各個電池組內的冷卻通道中，吸收燃料電池內產生的反應熱並將其帶出電池組進行散熱；3)燃料與氧化劑氣體的出口與導流通道。其作用是將沒有參與反應的多餘燃料氣體和氧化劑排出，同時將反應生成的液態或氣態的水帶出。上述燃料進出口、氧化劑進出口和冷卻流體的進出口通常都開設在燃料電池組的一個端板上或分別開設在兩個端板上。
質子交換膜燃料電池可用作車、船等運載工具的動力系統，又可製作成移動式或固定式的發電系統。
三合一的膜電極是燃料電池的核心部件，而質子交換膜又是膜電極的核心，其質量和性能的好壞是決定整個燃料電池性能的關鍵，因此，質子交換膜在組合成三合一的膜電極之間必須經過嚴格的處理，以清除表面可能存在的灰塵、金屬離子和有機汙染物。面對數量眾多的質子交換膜，這一工作靠手工操作是做不好也做不完的，必須設計一種能流水作業的裝置，高質量、大批量地對質子交換膜進行清洗處理。
實用新型內容本實用新型的目的，就是為了提供一種燃料電池質子交換膜的處理裝置，以便高質量、大批量地對質子交換膜進行處理。
本實用新型的目的是這樣實現的一種燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於包括水浴鍋，設置在水浴鍋內的雙氧水處理槽，酸洗清洗槽，酸儲槽和酸回收處理槽，以及分別與水浴鍋，雙氧水處理槽，酸洗清洗槽，酸儲槽連接的給水管路，與雙氧水處理槽底部相連的雙氧水排水管路，與水浴鍋底部相連的水浴鍋排水管路，與酸洗清洗槽底部相連的清洗水排水管路，連接酸洗清洗槽與酸儲槽的加酸管路和酸回流管路，連接酸儲槽與酸回收處理槽的酸回收管路，與酸回收處理槽底部相連的廢水排放管路。
所述的給水管路包括主管道和分別與水浴鍋、雙氧水處理槽、酸洗清洗槽、酸儲槽連接的支管道，在各支管道上分別設有閥門。
所述的加酸管路的一端連接在酸儲槽的下部，另一端連接在酸洗清洗槽的頂部，在管路上設有酸循環泵，在酸循環泵的兩端分別設有閥門。
所述的酸回流管路的一端連接在酸洗清洗槽的底部，另一端連接在酸儲槽的頂部，在管路上設有閥門。
所述的酸回收管路的一端連接在酸儲槽的底部，另一端連接在酸回收處理槽的頂部，在管路上設有閥門，所述的酸儲槽中設有加熱、控溫裝置。
所述的雙氧水排水管路、水浴鍋排水管路、清洗水排水管路和酸回收管路上分別設有閥門。
所述的水浴鍋是一種利用介質水或油加熱的搪瓷罐或金屬罐。
所述的雙氧水處理槽、酸洗清洗槽、酸儲槽和酸回收處理槽由抗腐蝕氧化的工程塑料或搪瓷加工而成。
所述的各管路中的管道、閥門和酸循環泵由抗腐蝕氧化的工程塑料加工而成。
所述的給水管路中的給水是電導率很低的去離子水。
本實用新型燃料電池質子交換膜的處理裝置結構緊湊，能對質子交換膜進行流水作業處理，處理質量高，處理量大，年膜處理量可達10萬張，為確保膜電極的生產質量和生產效率提供了有效保障。


圖1為本實用新型燃料電池質子交換膜的處理裝置的結構流程圖。
具體實施方式
請參見圖1，本實用新型的燃料電池質子交換膜的處理裝置，包括水浴鍋1、雙氧水處理槽2、酸洗清洗槽3、酸儲槽4、酸回收處理槽5、給水管路6、雙氧水排水管路7、水浴鍋排水管路8、清洗水排水管路9、加酸管路10、酸回流管路11、酸回收管路12和廢水排放管路13。水浴鍋1是一種利用介質水或油加熱的搪瓷罐或金屬罐。雙氧水處理槽2、酸洗清洗槽3、酸儲槽4和酸回收處理槽5均由抗腐蝕的工程塑料或搪瓷加工而成。各管路中的管道和閥門均由抗腐蝕的工程塑料加工而成。雙氧水處理槽2設置在水浴鍋1內，用於配製1％～10％重量濃度的雙氧水在水浴加熱狀態下對質子交換膜進行處理，處理溫度為80～100℃，處理時間為0.1～2小時，主要作用是將質子交換膜表面可能存在的有機雜質氧化除去。給水管路6包括主管道和分別與水浴鍋1、雙氧水處理槽2、酸洗清洗槽3、酸儲槽4連接的支管道，在與水浴鍋連接的支管道上設有閥門61，在與雙氧水處理槽連接的支管道上設有閥門62，在與酸洗清洗槽連接的支管道上設有閥門63，在與酸儲槽連接的支管道上設有閥門64。各閥門分別用於控制各支管道在適當的時候向所連接的設備加入電導率很低的去離子水。雙氧水排水管路7與雙氧水處理槽2的底部相連，在雙氧水排水管路7上設有閥門71，用於在雙氧水處理完成後將用過的雙氧水排出，以便配製新鮮雙氧水。水浴鍋排水管路8與水浴鍋1的底部相連，在水浴鍋排水管路8上設有閥門81，用於在必要時排放水浴鍋1內的水。清洗水排水管路9與酸洗清洗槽3的底部相連，在清洗水排水管路9上設有閥門91，用於在清洗後排放清洗水。加酸管路10的一端連接在酸儲槽4的下部，另一端連接在酸洗清洗槽3的頂部，在加酸管路10上設有酸循環泵101，酸循環泵101由抗腐蝕的工程塑料加工而成，在酸循環泵101的兩端各設有閥門102、103，加酸管路10用於向酸洗清洗槽3內泵入酸液；閥門102、103用於在需要對酸循環泵101進行檢修時關閉兩端的管路。酸回流管路11的一端連接在酸洗清洗槽3的底部，另一端連接在酸儲槽4的頂部，在酸回流管路11上設有閥門111，此管路11用於在酸洗清洗槽3完成一次酸洗後將酸液回流至酸儲槽4，酸儲槽4中設有可加熱、控溫裝置，以保證酸清洗液溫度在60～120℃之間，以便酸洗清洗槽3進行下一步的水清洗作業，並使酸液在有效濃度範圍內可重複使用，在失效後可回收至酸回收處理槽5進行回收處理。酸回收管路12的一端連接在酸儲槽4的底部，另一端連接在酸回收處理槽5的頂部，在酸回收管路12上設有閥門121，此管路用於在酸液失效後將其從酸儲槽4回收至酸回收處理槽5進行回收處理。廢水排放管路13與酸回收處理槽5的底部相連，在廢水排放管路13上設有閥門131，用於在酸回收處理槽5將失效酸液經中和處理至滿足環保要求後將廢水向汙水管道安全排放。
本實用新型燃料電池質子交換膜的處理裝置在處理質子交換膜時的工藝流程可結合圖1簡要說明如下將每張質子交換膜分別用夾具槽(聚碳酸脂板製作)夾持隔離；通過閥門61和62向水浴鍋1和雙氧水處理槽2注入去離子水，並向雙氧水處理槽2中加入濃雙氧水配製成重量濃度為1～10％的雙氧水處理液；將質子交換膜放入雙氧水處理槽2中，水浴加熱到80-100℃並恆溫處理1-3小時；從雙氧水處理槽2中取出質子交換膜放入酸洗清洗槽3中，打開閥門63，用去離子水清洗質子交換膜，將附著在膜上的殘餘雙氧水、有機雜質和灰塵清洗乾淨，打開閥門91將清洗水由清洗水排水管路9排放，排放完後關閉閥門91；打開酸循環泵101，將酸儲槽4中的1～10M、100℃的硫酸通過加酸管路10泵入酸洗清洗槽3中，直到將質子交換膜完全浸沒並浸泡4小時，以除去質子交換膜表面可能存在的金屬離子；打開閥門111，通過酸回流管路11將處理完質子交換膜的酸液回流至酸儲槽4中，然後關閉閥門111；再打開閥門63，用去離子水清洗質子交換膜，將附著在質子交換膜上的殘餘酸和金屬雜質離子清洗乾淨，即完成質子交換膜的處理，取出交付下一道工序製作三合一的膜電極，清洗水由清洗水排水管路9排放；酸儲槽4中的濃硫酸經過多次使用失去作用後，通過酸回收管路12排放至酸回收處理槽5中，經過中和處理達到排放標準後從廢水排放管路13向汙水管道排放。
權利要求1.一種燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於包括水浴鍋，設置在水浴鍋內的雙氧水處理槽，酸洗清洗槽，酸儲槽和酸回收處理槽，以及分別與水浴鍋，雙氧水處理槽，酸洗清洗槽，酸儲槽連接的給水管路，與雙氧水處理槽底部相連的雙氧水排水管路，與水浴鍋底部相連的水浴鍋排水管路，與酸洗清洗槽底部相連的清洗水排水管路，連接酸洗清洗槽與酸儲槽的加酸管路和酸回流管路，連接酸儲槽與酸回收處理槽的酸回收管路，與酸回收處理槽底部相連的廢水排放管路。
2.如權利要求1所述的燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於所述的給水管路包括主管道和分別與水浴鍋、雙氧水處理槽、酸洗清洗槽、酸儲槽連接的支管道，在各支管道上分別設有閥門。
3.如權利要求1所述的燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於所述的加酸管路的一端連接在酸儲槽的下部，另一端連接在酸洗清洗槽的頂部，在管路上設有酸循環泵，在酸循環泵的兩端分別設有閥門。
4.如權利要求1所述的燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於所述的酸回流管路的一端連接在酸洗清洗槽的底部，另一端連接在酸儲槽的頂部，在管路上設有閥門。
5.如權利要求1所述的燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於所述的酸回收管路的一端連接在酸儲槽的底部，另一端連接在酸回收處理槽的頂部，在管路上設有閥門，所述的酸儲槽中設有加熱、控溫裝置。
6.如權利要求1所述的燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於所述的雙氧水排水管路、水浴鍋排水管路、清洗水排水管路和酸回收管路上分別設有閥門。
7.如權利要求1所述的燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於所述的水浴鍋是一種利用介質水或油加熱的搪瓷罐或金屬罐。
8.如權利要求1所述的燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於所述的雙氧水處理槽、酸洗清洗槽、酸儲槽和酸回收處理槽由抗腐蝕氧化的工程塑料或搪瓷加工而成。
9.如權利要求1所述的燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於所述的各管路中的管道、閥門和酸循環泵由抗腐蝕氧化的工程塑料加工而成。
10.如權利要求1所述的燃料電池質子交換膜的處理裝置，其特徵在於所述的給水管路中的給水是電導率很低的去離子水。
專利摘要本實用新型提供了一種燃料電池質子交換膜的處理裝置，它包括水浴鍋，設置在水浴鍋內的雙氧水處理槽，酸洗清洗槽，酸儲槽和酸回收處理槽，以及分別與水浴鍋，雙氧水處理槽，酸洗清洗槽，酸儲槽連接的給水管路，與雙氧水處理槽底部相連的雙氧水排水管路，與水浴鍋底部相連的水浴鍋排水管路，與酸洗清洗槽底部相連的清洗水排水管路，連接酸洗清洗槽與酸儲槽的加酸管路和酸回流管路，連接酸儲槽與酸回收處理槽的酸回收管路，與酸回收處理槽底部相連的廢水排放管路。本實用新型的處理裝置結構緊湊，能對質子交換膜進行流水作業處理，處理質量高，處理量大，年膜處理量可達10萬張，為確保膜電極的生產質量和生產效率提供了有效保障。
文檔編號B08B3/08GK2763994SQ20052003939
公開日2006年3月8日 申請日期2005年2月1日 優先權日2005年2月1日
發明者胡裡清, 胡純, 陸輝 申請人:上海神力科技有限公司