直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法和專用裝置的製作方法

2023-04-23 17:20:46

專利名稱：直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法和專用裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及直接液體燃料電池尾氣的處理方法，及電化學催化氧化。
技術背景燃料電池是一種將燃料的化學能直接轉變為電能的電化學裝置。發電時無汙染、無 噪音，而且發電效率高、使用壽命長，因此在航天，交通，移動電源等領域有著廣泛的 應用前景。單個燃料電池由陽極、電解質隔膜和陰極構成。燃料在陽極氧化，氧化劑在 陰極還原，電化學反應產生的電子在外電路的定向移動產生電能。近些年來，各種電子 產品體積越來越小，這就要求電源系統的集成度提出了更高的要求。傳統的二次電池例 如鎳氫電池和鋰離子電池逐漸不能滿足新一代電池產品的需求步伐，人們把目光投向了 燃料電池的小型化。雖然使用氫氣作為燃料的燃料電池近些年來獲得了廣泛的關注。但 在小型可攜式電源方面，由於氫氣的攜帶和儲存不是很方便，導致無法進一步降低燃豐鬥 電池系統的體積。而採用能量密度比氫氣高的甲醇、甲酸等液體作為燃料，可以進一步 提高可攜式燃料電池的比能量密度，縮小電池系統的體積。但用甲醇或甲酸作為燃料， 陽極反應產物中都含有氣體成分而且電池一般工作在較高的溫度，陽極尾氣排出時會帶 出一定的甲醇或甲酸蒸汽，而且甲醇或甲酸也會通過離子交換膜滲透到電池的陰極，在 陰極催化層上直接氧化，由於陰極作為氧化劑的一般為空氣，流動的速度非常快，滲透 過來的燃料有一部分尚未來得及被氧化就被空氣帶出。甲醇、甲酸都屬於對人體有毒害 而且汙染環境的化學品，所以採用甲醇或甲酸作為燃料的燃料電池要想實際應用，必須 將尾氣中的甲醇、甲酸含量降低到容許的程度或全部消除。目前尚沒有文獻和專利對這 方面進行報導。發明內容本發明的目的是提供一種直接液體燃料電池尾氣的處理方法，以除去尾氣中未能完 全氧化的甲醇或甲酸，實現環境友好；本發明的另一個目的是提供一種直接液體燃料電 池尾氣處理的專用裝置。本發明的技術方案如下一種直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法，電池系統的尾氣在排出系統之前，首先通過一個電化學處理裝置的催化反應電極，電極上施加一個電壓，尾氣中的甲醇或 者甲酸快速地在其表面發生電化學氧化反應生成二氧化碳，在相對的空氣側電極上空氣 中的氧氣擴散到對電極表面，與由離子交換膜傳遞過來的質子和電子發生反應生成水。上述的電化學處理方法，所述的離子交換膜的兩側分別有尾氣側催化層與空氣側催 化層，催化層由貴金屬催化劑例如Pt/C, Pd/C或者PtRu/C等構成，催化層的外側分別 有尾氣擴散層與空氣擴散層，擴散層為導電的微孔材料，擴散層的外側分別有導電的尾 氣側極板與空氣側極板，恆壓電源通過極板和擴散層施加一定電壓於催化劑， 一般為 0.6V-L2V。當尾氣經過時，尾氣中的有機小分子在電場和催化劑共同作用下發生氧化， 從而達到尾氣淨化的目的。上述的擴散層一般採用導電的微孔材料如碳紙、碳布或者金屬纖維製成的多孔材 料，催化層由貴金屬催化劑例如Pt/C， Pd/C或者PtRu/C等構成。極板一般由耐腐蝕的 不鏽鋼或者鈦或其合金製成，在其表面可以加工出一定流場結構使尾氣能夠與催化劑充 分接觸而發生氧化反應。施加電壓的範圍一般為0.6V-L2V左右，此部分電壓可以由電 源自身產生的電能通過電路變換得到。一種直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法的專用裝置，它中間有離子交換樹脂 層，離子交換樹脂層的兩側分別是尾氣側催化層與空氣側催化層,催化層由貴金屬催化 劑例如Pt/C， Pd/C或者PtRu/C等構成，催化層的外側分別是尾氣擴散層與空氣擴散層， 擴散層一般採用導電的微孔材料如碳紙、碳布或者金屬纖維製成的多孔材料，擴散層的 外側分別是導電的尾氣側極板與空氣側極板，極板一般由耐腐蝕的不鏽鋼或者鈦或其合 金製成，在其表面可以加工出一定流場結構使尾氣能夠與催化劑充分接觸而發生氧化反 應。恆壓電源通過極板和擴散層施加一定電壓於催化劑，施加電壓的範圍一般為 0.6V-L2V，當尾氣經過時，尾氣中的有機小分子在電場和催化劑共同作用下發生氧化， 從而達到尾氣淨化的目的。上述的直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法的專用裝置，所述的在催化劑上施 加的電壓可以由燃料電池電源自身產生的電能通過電路變換得到。採用本發明的直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法的專用裝置，能迅速地將直 接液體燃料電池的尾氣中未反應完全的有毒液體燃料，如甲醇或甲酸，氧化成無毒的二 氧化碳和水，處理後的尾氣中，氣相色譜檢測不到有甲醇或甲酸的存在，保證了安全運 作。


圖1為本發明提出的燃料電池尾氣處理方法原理圖。 圖2為實施例中的尾氣處理專用裝置的示意圖。
具體實施方式
實施例1.用於直接甲醇燃料電池電源系統的尾氣處理方法的專用裝置，如圖2所示，它有膜 電極集合體15，它由離子交換膜5、空氣側催化層4、空氣側擴散層3、尾氣側催化層7、 尾氣側擴散層6共同壓制而成，離子交換膜採用DuPont公司的Nafion1135。空氣側催 化層和尾氣側催化層均採用0.5毫克每平方釐米的40% Pt/C催化劑。200目316不鏽鋼 編織網16，和空氣側極板2 (衝壓的多孔網狀結構的不鏽鋼板) 一起作為空氣側電子導 體。尾氣側極板8上的流場19為單通道蛇形流場。兩側極板和電極之間通過矽橡膠密 封墊9密封。上述部分採用四個塑料螺釘18夾緊在一起並於電池系統相連。入口 13與 電堆的尾氣出口相連。施加的電壓通過電極17和14連接到空氣側極板2和尾氣側極板 8上，17上施加高電位，施加電壓為0.8V。離子交換膜兩側的反應如下尾氣側反應CH3OH + H20 ^ C02 + 6H+ + 6e—空氣側極反應3/202 + 6H+ + 6e—^^31120總反應CH3OH + 3/2 02 ~~^C02 + 2H20甲醇進入尾氣側催化層後，在電場的強制作用下發生電化學氧化反應，生成二氧化 碳、質子和電子。其中質子通過電解質膜遷移至空氣側，電子通過外電路也傳遞至空氣 側，並與到達空氣側催化層的氧氣發生電化學還原反應生成水。在整個反應中，最終產 物為二氧化碳和水。經過氣相色譜檢測本尾氣處理專用裝置的出口 12排放的氣體的成分，主要為二氧 化碳和水，未發現甲醇峰。說明尾氣中甲醇含量極低，甚至低於氣相色譜的檢測極限， 最終尾氣中甲醇的含量應該低於lppm。實施例2:用於直接甲酸燃料電池電源系統的尾氣處理方法的專用裝置，結構與實 施實例l相似，它有膜電極集合體15，膜電極集合體由離子交換膜5、空氣側催化層4、 空氣側擴散層3、尾氣側催化層7、尾氣側擴散層6共同壓制而成，離子交換膜採用DuPont公司的Nafum 1135。空氣側催化層和尾氣側催化層均採用0.5毫克每平方釐米的 400/。Pt/C催化劑。離子交換膜採用Du Pont公司的Nafion 115。由於甲酸的腐蝕性，空 氣側電子導體採用Toray碳紙16，尾氣側極板採用石墨板，其上的流場19為單通道蛇 形流場，空氣側極板2為多孔鈦板。兩側極板和電極之間通過矽橡膠密封墊9密封。上 述部分採用塑料螺釘18夾緊在一起並於電池系統相連。入口 13與電池系統的尾氣出口 相連。施加的電壓通過電極17和14連接到空氣側極板2和尾氣側極板8上，17上施加 高電位，施加電壓為0.6V。離子交換膜兩側反應如下尾氣側反應HCOOH~~ C02 + 2H+ + 2e-空氣側極反應1/202 + 2H+ + 2e—^ H20總反應HCOOH + 1/202 ~~ C02 + H20甲酸進入尾氣側催化層後，在電場的強制作用下發生電化學氧化反應，生成二氧化 碳、質子和電子。其中質子通過電解質膜遷移至空氣側，電子通過外電路也傳遞至空氣 側，並與到達空氣側催化層的氧氣發生電化學還原反應生成水。在整個反應中，最終產 物為二氧化碳和水。同樣用氣相色譜檢測本尾氣處理專用裝置的出口 12排放的氣體的成分，主要為二 氧化碳和水，未發現甲酸峰。甲酸化學反應活性比甲醇高，所以此種電化學氧化消除的 方法應該可以完全消除尾氣中的甲酸。
權利要求
1.一種直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法，其特徵是電池系統的尾氣在排出系統之前，首先通過一個電化學處理裝置的催化反應電極，電極上施加一個電壓，尾氣中的甲醇或者甲酸快速地在其表面發生電化學氧化反應生成二氧化碳，在相對的空氣側電極上空氣中的氧氣擴散到對電極表面，與由離子交換膜傳遞過來的質子和電子發生反應生成水。
2. 根據權利要求l所述的電化學處理方法，其特徵是所述的離子交換膜的兩側 分別有尾氣側催化層與空氣側催化層，催化層由貴金屬催化劑構成，催化層的外側分別 有尾氣擴散層與空氣擴散層，擴散層為導電的微孔材料，擴散層的外側分別有導電的尾氣側極板與空氣側極板，恆壓電源通過極板和擴散層施加0. 6V-1. 2V的電壓於催化劑，當尾氣經過時，尾氣中的有機小分子在電場和催化劑共同作用下發生氧化，從而達到尾 氣淨化的目的。
3. 根據權利要求2所述的電化學處理方法，其特徵是所述的導電的微孔材料是碳紙、碳布或者金屬纖維製成的多孔材料。
4. 根據權利要求2所述的電化學處理方法，其特徵是所述的貴金屬催化劑是Pt/C， Pd/C或者PtRu/C催化劑。
5. —種權利要求1所述的直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法的專用裝置，其特徵是它中間有離子交換膜，離子交換膜的兩側分別是尾氣側催化層與空氣側催化層，催化層由貴金屬催化劑構成，催化層的外側分別是尾氣擴散層與空氣擴散層，擴散 層採用導電的微孔材料，擴散層的外側分別是導電的尾氣側極板與空氣側極板，極板由 耐腐蝕的不鏽鋼或者鈦或其合金製成，在尾氣側極板表面加工出一定流場結構使尾氣能夠與催化劑充分接觸而發生氧化反應，恆壓電源通過極板和擴散層施加0. 6V-1. 2V電壓 於催化劑，當尾氣經過時，尾氣中的有機小分子在電場和催化劑共同作用下發生氧化， 從而達到尾氣淨化的目的。
6. 根據權利要求5所述的直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法的專用裝置，其特徵是所述的在催化劑上施加的電壓由燃料電池電源自身產生的電能通過電路變換得到。
全文摘要
一種直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法，電池系統的尾氣在排出系統之前，首先通過一個電化學處理裝置的催化反應電極，電極上施加一個電壓，尾氣中的甲醇或者甲酸快速地在其表面發生電化學氧化反應生成二氧化碳，在相對的空氣側電極上空氣中的氧氣擴散到對電極表面，與由離子交換膜傳遞過來的質子和電子發生反應生成水。採用本發明的直接液體燃料電池尾氣的電化學處理方法的專用裝置，能迅速地將直接液體燃料電池的尾氣中未反應完全的有毒液體燃料，如甲醇或甲酸，氧化成無毒的二氧化碳和水，處理後的尾氣中，氣相色譜檢測不到有甲醇或甲酸的存在，保證了安全運作。本發明提供了該方法的專用裝置。
文檔編號B01D53/86GK101239277SQ20071019063
公開日2008年8月13日 申請日期2007年11月27日 優先權日2007年11月27日
發明者劉建國, 朱長滿, 陳利康 申請人:江蘇雷石新能源科技有限公司