CN103972523B - 碱性阴离子交换膜燃料电池失效膜电极恢复再生的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碱性阴离子交换膜燃料电池失效膜电极恢复再生的方法。该方法是将失效膜电极采用强碱性溶液进行处理，将膜电极中由于二氧化碳作用产生的HCO3 ‑转化为OH‑，同时提高碱性阴离子交换膜及阴离子交换树脂内部游离OH‑的浓度，恢复OH‑传导能力，从而使失效膜电极的性能得到恢复与再生。本发明的特点是在不破坏膜电极结构的情况下，经过简单易行的方法使失效膜电极的性能得到恢复再生，延长电池运行时间。

Description

碱性阴离子交换膜燃料电池失效膜电极恢复再生的方法
技术领域
本发明涉及碱性阴离子交换膜燃料电池失效膜电极的恢复再生，具体地说是在碱性阴离子交换膜燃料电池运行过程中，由于燃料、氧化剂携带的以及催化剂碳载体在电池运行过程中氧化产生的二氧化碳的影响以及阴离子交换膜和阴离子交换树脂内部游离OH-浓度大幅下降导致的失效膜电极恢复再生的方法。
背景技术
碱性阴离子交换膜燃料电池（APEFC）是一种通过电化学反应将燃料和氧化剂中的化学能直接转变为电能的发电装置。它是以具有OH-传导能力的碱性阴离子交换膜作为电解质，膜的两侧由阴、阳极催化层和阴、阳极气体扩散层组成阴、阳极，并且催化层介于气体扩散层与阴离子交换膜之间，阳极、阴离子交换膜及阴极组成三合一膜电极组件，通过压合的方法压合在一起构成碱性阴离子膜燃料电池的核心部件-三合一膜电极（MEA）。将三合一膜电极组装电池，燃料可采用氢气，氧化剂可采用氧气或者干净的空气在膜电极上发生电化学反应，从而将燃料和氧化剂中的化学能直接转变为电能。
在碱性阴离子交换膜燃料电池中，阳极氢氧化和阴极氧还原反应都具有较高的反应活性，可采用非贵金属催化剂，将不受铂的资源与成本的限制，所以近年来对碱性阴离子交换膜燃料电池的研究呈现上升趋势。但是目前碱性阴离子交换膜燃料电池的稳定性较差，在电池运行过程中，由于燃料、氧化剂携带的以及催化剂碳载体在电池运行过程中氧化产生的二氧化碳会在膜电极中产生大量的HCO3 -，碱性阴离子交换膜及阴离子交换树脂对HCO3 -的传导能力较弱，并且随着电池的长时间运行，HCO3 -浓度不断增加，同时碱性阴离子交换膜及阴离子交换树脂内部游离的OH-的浓度会不断下降，由于上述等原因最终导致膜电极失效。
CN101140997中提到一种关于质子交换膜燃料电池失效膜电极恢复再生的方法，该方法是将由金属离子效应和催化剂中毒导致失效的膜电极两侧加一外加电场，使电极中的有机污染物被氧化，金属离子迁移出催化层，从而使失效膜电极的性能得到恢复与再生。而目前在碱性阴离子交换膜燃料电池领域，还没有文献/专利提到过失效膜电极恢复再生的方法。
发明内容
为了使碱性阴离子交换膜燃料电池失效膜电极恢复再生，尤其是使由于燃料、氧化剂携带的以及催化剂碳载体在电池运行过程中氧化产生的二氧化碳的影响及阴离子交换膜和阴离子交换树脂内部游离OH-浓度下降等原因导致的失效膜电极得到恢复与再生，本发明目的在于提供一种方法，能够使失效后的膜电极恢复OH-传导能力，从而使失效膜电极性能的得到恢复与再生。
为达到上述目的，本发明采用的方法为：
一种碱性阴离子交换膜燃料电池失效膜电极恢复再生的方法。其特征在于：将失效膜电极经过一定浓度碱性溶液处理一定时间，将二氧化碳从膜电极中迁移出，同时提高阴离子交换膜及阴离子交换树脂内部游离OH-浓度，使其传导OH-的能力得到恢复，再采用去离子水反复冲洗并浸泡以去除表面残留的碱液，从而使失效膜电极的性能得到恢复再生。
碱性溶液为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂等碱性溶液中的一种；
碱性溶液的浓度在0.1~10mol/L之间。
失效膜电极在碱性溶液中阴离子交换时间为0.1~24小时。
经过碱性溶液浸泡后的失效膜电极需要经过去离子水反复冲洗并浸泡10~300分钟清洗干净表面残留碱液。
失效膜电极可以经过一次碱液处理后，还可以重复碱液处理2次或者2次以上。
本发明的优点：
（1）失效后膜电极经过碱性溶液的浸泡，能够将由于二氧化碳的作用产生的HCO3 -转化为OH-，同时提高碱性阴离子交换膜及阴离子交换树脂内部游离的OH-浓度，恢复传导OH-的能力，使失效后的膜电极性能得到恢复和再生，延长电池运行时间。
（2）方法简单，便于操作，可经过较短时间处理使失效膜电极性能得到恢复与再生。
附图说明
图1为本发明的实施例1所述失效的膜电极经过0.5mol/L氢氧化钾（KOH）处理1小时前后性能恢复再生的曲线图。
图2为本发明的实施例2所述失效的膜电极经过1mol/L氢氧化钾（KOH）处理0.5小时前后性能恢复再生的曲线图。
图3为本发明的实施例3所述失效的膜电极经过1mol/L氢氧化钠（NaOH）处理0.5小时前后性能恢复再生的曲线图。
图4为本发明的实施例3所述失效的膜电极经过1mol/L氢氧化钠（NaOH）处理0.5小时前后阻抗测试图。
具体实施方式
实施例1
工作温度为50℃、100%RH增湿条件下恒流100mA/cm2连续运行383小时后失效的碱性阴离子交换膜膜电极，采用0.5mol/L的氢氧化钾（KOH）碱性溶液进行阴离子交换处理1小时，使碱性阴离子交换膜及阴离子交换树脂的阴离子传导能力得到恢复，再采用去离子水反复冲洗3~5次并浸泡90分钟以去除表面残留的碱液，最后将经过处理后的膜电极重新组装电池，再在前述条件下运行，失效的膜电极经过前述处理方法处理，膜电极的性能得到恢复与再生，能够继续运行，见图1。
实施例2
工作温度为50℃、100%RH增湿条件下恒流100mA/cm2连续运行339小时后失效的碱性阴离子交换膜膜电极，采用1mol/L的氢氧化钾（KOH）碱性溶液进行阴离子交换处理0.5小时，使碱性阴离子交换膜及阴离子交换树脂的阴离子传导能力得到恢复，再采用去离子水反复冲洗3~5次并浸泡120分钟以去除表面残留的碱液，最后将经过处理后的膜电极重新组装电池，再在前述条件下运行，失效的膜电极经过前述处理方法处理，膜电极的性能得到恢复与再生，能够继续运行，见图2。
实施例3
工作温度为50℃、100%RH增湿条件下恒流100mA/cm2连续运行64小时失效的碱性阴离子交换膜膜电极，采用1mol/L的氢氧化钠（NaOH）碱性溶液进行阴离子交换处理0.5小时，使碱性阴离子交换膜及阴离子交换树脂的阴离子传导能力得到恢复，再采用去离子水反复冲洗3~5次并浸泡120分钟以去除表面残留的碱液，最后将经过处理后的膜电极重新组装电池，再在前述条件下运行，失效的膜电极经过前述处理方法处理，膜电极的性能得到恢复与再生，能够继续运行，电池电压恢复情况见图3，处理前后阻抗测试结果见图4。

Claims (2)

1.碱性阴离子交换膜燃料电池失效膜电极恢复与再生的方法，其特征在于：将失效膜电极经过强碱性溶液处理，将由于膜电极中二氧化碳作用产生的HCO3 -转化为OH-，同时提高阴离子交换膜及阴离子交换树脂内部游离OH-浓度，使其传导OH-的能力得到恢复，再采用去离子水反复冲洗并浸泡以去除膜电极表面残留的碱液，从而使失效膜电极的性能得到恢复与再生；
强碱性溶液为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂中的一种；
强碱性溶液的浓度在0.1~1mol/L之间；
失效膜电极在强碱性溶液中处理的时间为0.1~24小时；
失效膜电极经过强碱性溶液阴离子交换后，需要经过去离子水反复冲洗，并浸泡10~300分钟去除表面残留碱液。
2.根据权利要求1所述的恢复与再生的方法，其特征在于：失效膜电极可以经过一次强碱性溶液处理，或者重复强碱性溶液处理2次或者3次以上。
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