CN101347788A - 一种从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法 - Google Patents
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Abstract
一种从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法，包括用醇基溶剂浸泡法将膜电极组件中的质子交换膜与气体扩散电极分开步骤，其特征在于所述的从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法还包括气体扩散电极上催化剂铂的回收步骤和气体扩散层炭纸回收步骤。用本方法回收的炭纸，炭纸厚度与新炭纸相当，重量比新炭纸减少4－6％，电阻与新炭纸电阻相当。本发明的积极效果是：可减少废弃膜电极组件对环境的污染，使比较昂贵的膜电极组件的原材料——炭纸和催化剂铂得到回收再利用，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池复合质子交换膜生产设备。
背景技术
质子交换膜燃料电池的核心部件是膜电极组件。质子交换膜燃料电池在长期运行中，由于碳载铂催化剂铂的流失、聚集、催化剂中毒、碳的电化学氧化、电极憎水性能差和电池水管理、热管理等因素的影响，造成膜电极组件失效或性能下降，从而影响电池稳定性而废弃。随着质子交换膜燃料电池的不断应用，废弃的膜电极组件会不断增多，如何回收利用废弃的膜电极组件中的关键材料，关键材料指的是：质子交换膜、气体扩散电极上催化层电催化剂中的贵金属铂以及气体扩散电极气体扩散层的主要材料碳纸，不仅有利于环境保护，而且有利于资源的循环再利用和可持续发展，同时降低膜电极组件的制造成本。目前，已有从含有贵金属铂的废弃物中回收贵金属铂的技术。但质子交换膜燃料电池核心部件膜电极组件中炭纸的回收利用技术未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种从废弃的膜电极组件中回收利用炭纸的方法，使废旧炭纸可以恢复使用。本发明的技术方案是：一种从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法，包括用醇基溶剂浸泡法将膜电极组件中的质子交换膜与气体扩散电极分开步骤，其特征在于所述的从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法还包括气体扩散电极上催化剂铂的回收步骤和消除气体扩散电极扩散层炭纸上的聚四氟乙烯和炭黑步骤。
本发明所述的一种从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法，其特征在于所述的气体扩散电极上催化剂铂的回收步骤是：
1、按3份浓盐酸(比重1.19)与1份浓硝酸(比重1.4)的比例将浓盐酸与浓硝酸混合，配制成王水；
2、将从废弃的膜电极组件中分离出来的气体扩散电极放入去离子水中浸泡3-4小时取出，再放到新的去离子水中反复浸泡4-5次，取出晾干后，于120℃干燥1-2小时；
3、将步骤2得到的干燥气体扩散电极放入步骤1配制的王水中浸泡4-8小时，王水的温度在25-45℃之间，待王水中无汽泡放出后，将电极取出用去离子水浸泡2-3次，并把浸泡后的液体倒入浸泡电极的王水混合液中；
4、将步骤3得到的王水混合液用蒸馏方法将盐酸和硝酸除掉，得到氯铂酸溶液，用硼氢化钾或者水合肼还原氯铂酸溶液制得贵金属铂，或者用结晶法将氯铂酸溶液制成氯铂酸结晶固体，将结晶的氯铂酸直接用于制备碳载铂催化剂。
本发明所述的一种从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法，其特征在于所述的消除气体扩散电极气体扩散层炭纸上的聚四氟乙烯和炭黑的步骤是：
1、将回收过金属铂的电极用去离子水洗至中性，成为含有聚四氟乙烯和少量炭黑的气体扩散层；
2、将步骤1制得的含有聚四氟乙烯和炭黑的气体扩散层在500-600℃焙烧1-3小时后，冷却至室温取出，得到回收的炭纸。
用本方法回收的炭纸，炭纸厚度与新炭纸相当，重量比新炭纸减少4-6％，电阻与新炭纸电阻相当。
本发明的积极效果是：可减少废弃膜电极组件对环境的污染，使比较昂贵的膜电极组件的原材料--炭纸和催化剂中的贵金属铂得到回收利用，有利于资源的再利用，降低膜电极组件的制造成本。
具体实施方式
实例：1
取5cm×10cm膜电极组件10张，膜电极组件的催化层的催化剂是铂含量为50％碳载铂催化剂，催化剂涂覆量为0.7mg/cm2。将膜电极组件浸渍在无水乙醇中，在无水乙醇中质子交换膜逐渐溶胀，膜和气体扩散电极逐渐分离，10分钟后把分离的气体扩散电极和膜分别取出，分别把气体扩散电极和质子交换膜放到去离子水中浸泡，浸泡3.5小时取出，再放到新的去离子水中反复浸泡4次，目的是将气体扩散电极和质子交换膜上的乙醇除掉。然后分别对质子交换膜进行处理和对气体扩散电极上的催化剂铂和碳纸进行回收。
质子交换膜的处理：把浸泡好的质子交换膜放在烧杯中在去离子水中煮沸1小时取出，放在1000ml烧杯中，然后加入5％H2O2水溶液400ml，将溶液加热升温至80±5℃，恒温30～50分钟后，降到室温，将膜从H2O2水溶液中捞出，用去离子水洗3～4次，使冲洗水的PH为7。然后将膜放到盛有400ml0.5M的稀H2SO4溶液中，升温至80±5℃，恒温30～50分钟后降到室温，将膜从H2SO4溶液中捞出，用去离子水洗3～4次，使冲洗水PH达到7为止。将膜干燥使其平整。经处理后的膜，若无破损等缺陷，可重复使用。
气体扩散电极催化剂铂和炭纸的回收：
氯铂酸的回收：将浸泡好的气体扩散电极晾干后，120℃干燥1.5小时，然后放在烧杯中，倒入400ml已经配好的王水(100ml浓硝酸+300ml浓盐酸)，浸泡4小时后加热使烧杯中的溶液温度保持在35-40℃，3小时后将气体扩散电极取出用去离子水洗至中性为止，去离子水用量在300ml，把洗电极的300ml去离子水溶液和含有氯铂酸的王水溶液混合倒在一起搅拌均匀，采用蒸馏的方法除掉盐酸和硝酸，再把得到的氯铂酸溶液进行结晶，得到0.8g氯铂酸晶体，根据所得氯铂酸晶体换算出电极铂的回收率为85％。
炭纸的回收：将洗至中性的无铂的气体扩散电极(实际上相当于气体扩散层)，晾干后，120℃干燥2小时，该气体扩散层上只含有炭黑和聚四氟乙烯。然后把气体扩散层放在马弗炉中550℃焙烧1.5小时，冷却到室温后得到回收的炭纸。回收的炭纸单位面积重量比新炭纸减少5.2％。
实例2
取5cm×10cm膜电极三合一组件10张，膜电极组件的催化层催化剂是铂含量为50％碳载铂催化剂，催化剂涂覆量为0.7mg/cm2。将膜电极组件浸渍在异丙醇中，异丙醇中质子交换膜逐渐溶胀，膜和气体扩散电极逐渐分离，10分钟后把分离的气体扩散电极和膜分别取出，分别把气体扩散电极和质子交换膜放到去离子水中浸泡，浸泡4小时取出，再放到新的去离子水中反复4次，目的是将气体扩散电极和质子交换膜上的异丙醇除掉。然后分别对质子交换膜和气体扩散电极关键材料进行回收处理。回收膜的处理同实例1。
气体扩散电极催化剂铂和炭纸的回收：
铂的回收：将按上述步骤得到的气体扩散电极晾干后，120℃干燥1.5小时，然后放在烧杯中倒入400ml已经配好的王水(100ml浓硝酸+300ml浓盐酸)，4小时后加热使烧杯中的溶液温度保持在35-40℃，3小时后将电极取出用去离子水洗至中性为止，去离子水用量为350ml，把洗电极的350ml去离子水溶液和含有氯铂酸的王水溶液混合在一起搅拌均匀，采用蒸馏的方法除掉盐酸和硝酸，再把得到的氯铂酸溶液直接采用硼氢化钾或者水合肼来还原氯铂酸溶液，将还原沉淀的铂进行洗涤干燥得到贵金属铂289mg，铂的回收率为82.5％。
炭纸的回收：将洗至中性的无铂的气体扩散层晾干后，120℃干燥2小时，该气体扩散层上只含有炭黑和聚四氟乙烯。然后把气体扩散层放在马弗炉中600℃焙烧1小时，冷却到室温后得到回收的炭纸。回收的炭纸单位面积重量比新炭纸减少5.7％。
Claims (3)
1、一种从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法，包括用醇基溶剂浸泡法将膜电极组件中的质子交换膜与气体扩散电极分开步骤，其特征在于所述的从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法还包括气体扩散电极上催化剂铂的回收步骤和消除气体扩散电极扩散层炭纸上的聚四氟乙烯和炭黑步骤。
2、根据权利要求1所述的一种从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法，其特征在于所述的气体扩散电极上催化剂铂的回收步骤是：
1)按3份浓盐酸(比重1.19)与1份浓硝酸(比重1.4)的比例将浓盐酸与浓硝酸混合，配制成王水；
2、)将从废弃的膜电极组件中分离出来的气体扩散电极放入去离子水中浸泡3-4小时取出，再放到新的去离子水中反复浸泡4-5次，取出晾干后，于120℃干燥1-2小时；
3)将步骤2得到的干燥气体扩散电极放入步骤1配制的王水中浸泡4-8小时，王水的温度在25-45℃之间，待王水中无汽泡放出后，将电极取出用去离子水浸泡2-3次，并把浸泡后的液体倒入浸泡电极的王水混合液中；
4)将步骤3得到的王水混合液用蒸馏方法将盐酸和硝酸去掉，得到氯铂酸溶液，用硼氢化钾或者水合肼还原氯铂酸溶液制得贵金属铂，或者用结晶法将氯铂酸溶液制成氯铂酸的结晶固体，将结晶的氯铂酸直接用于制备碳载铂催化剂。
3、根据权利要求1所述的一种从废弃的膜电极组件中回收炭纸的方法，其特征在于所述的消除气体扩散电极扩散层炭纸上的聚四氟乙烯和炭黑的步骤是：
1)将回收过贵金属铂的气体扩散电极用去离子水洗至中性，成为含有聚四氟乙烯和少量炭黑的气体扩散层；
2)将步骤1制得的含有聚四氟乙烯和炭黑的气体扩散层在500-600℃焙烧1-3小时后，冷却至室温取出，得到不含有聚四氟乙烯和炭黑的炭纸。
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