CN219892207U - 一种废弃膜电极的回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种废弃膜电极的回收装置，所述回收装置包括反应器和至少一个固定部，以及供液系统；所述供液系统包括至少一根进液管和至少一根出液管；所述反应器具有内部反应空腔；所述固定部设置在所述内部反应空腔内，用于固定膜电极，所述膜电极将所述内部反应空腔分割为间隔配置的阳极集料腔室和阴极集料腔室；所述进液管一端从所述反应器外部分别插入所述阳极集料腔室和所述阴极集料腔室；所述出液管一端从所述反应器外部分别插入所述阳极集料腔室和所述阴极集料腔室。采用浸泡的方式将阳极集料和阴极集料析出所要分离的回收物质，有助于解决现有技术中缺乏一种质子交换膜回收的技术方案。

Description

一种废弃膜电极的回收装置

技术领域

本实用新型涉及废弃电极回收领域，尤其是一种废弃膜电极的回收装置。

背景技术

膜电极组件(MEA)由质子交换膜、阴极催化层和阳极催化层组成，是离子交换膜电解装置和离子交换膜燃料电池发电装置内发生电化学反应的主场所，是最核心的功能组件，膜电极的特性和结构直接影响设备的性能和寿命。将催化剂活性组分直接涂覆在离子交换膜两侧的催化剂直接涂膜法(CCM)是当前制备膜电极的主流方法，具有催化剂利用率高、膜与催化层间的质子传递阻力低的优点，典型的制备工艺如超声喷涂和热转印是目前工业应用最多膜电极制备工艺。

当前，以质子交换膜(PEM)作为固态电解质的电解水和燃料电池技术获得了快速的发展，受限于PEM的酸性条件，阴极和阳极催化剂只能使用铂族贵金属，且PEM的制备工艺复杂，导致其价格高昂，昂贵的膜电极成本仍是PEM设备大规模应用面临的最大问题之一。

因此，对膜电极生产和实验过程，以及PEM设备寿命终止后所产生的废弃膜电极进行回收处理，将是兼具经济性和环境友好性的一项重要措施。然而，目前市场上对废弃膜电极的回收几乎处于空自领域，开发一种流程简单、回收效率高的工艺和系统具有重要意义。

所以急需一种废弃膜电极的回收装置，有助于解决现有技术中缺乏一种质子交换膜回收的技术方案。

实用新型内容

在一实施例中，本实用新型提供了一种废弃膜电极的回收装置，采用浸泡的方式将阳极集料和阴极集料析出所要分离的回收物质，有助于解决现有技术中缺乏一种质子交换膜回收的技术方案。

所述回收装置包括反应器和至少一个固定部，以及供液系统；

所述供液系统包括至少一根进液管和至少一根出液管；

所述反应器具有内部反应空腔；

所述固定部设置在所述内部反应空腔内，用于固定膜电极，所述膜电极将所述内部反应空腔分割为间隔配置的阳极集料腔室和阴极集料腔室；

至少一根进液管数量与所述阳极集料腔室和阴极集料腔室的数量对应，所述进液管一端从所述反应器外部分别插入所述阳极集料腔室和所述阴极集料腔室；

至少一根出液管数量与所述阳极集料腔室和阴极集料腔室的数量对应，所述出液管一端从所述反应器外部分别插入所述阳极集料腔室和所述阴极集料腔室。

在一实施例中，所述供液系统还包括阳极回料总管和阴极回料总管，以及阳极储料罐和阴极储料罐、储液罐、进液总管、供液泵；

所述阳极回料总管与插入所述阳极集料腔室的出液管另一端连通；

所述阴极回料总管与插入所述阴极集料腔室的出液管另一端连通；

所述阳极储料罐与所述阳极回料总管的一端连通；

所述阴极储料罐与所述阴极回料总管的一端连通；

所述储液罐分别与所述阳极储料罐和所述阴极储料罐连通；

所述进液总管与所述进液管的另一端连通；

所述供液泵串联在所述储液罐与所述进液管之间的所述进液总管上。

在一实施例中，所述阳极回料总管和所述阴极回料总管上分别串联有第一抽液泵和第二抽液泵。

在一实施例中，每根所述进液管和所述出液管上分别串联有进液阀门和出液阀门。

在一实施例中，所述阳极回料总管和所述阴极回料总管上分别串联有第一过滤器和第二过滤器。

在一实施例中，所述反应器包括反应器箱体和反应器箱盖；

所述反应器箱体具有上开口，所述反应器箱体后方底部设置有出料口，所述出料口与所述出液管连通；

反应器箱盖盖在所述反应器箱体的上开口上，所述反应器箱盖上设置有进液口，所述进液口与所述进液管连通。

在一实施例中，所述反应器设置有超声波振荡器。

在一实施例中，所述固定部包括箱盖卡槽和箱顶卡槽。

在一实施例中，所述反应器包括喷淋头，所述喷淋头与所述进液口连通。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中废弃膜电极的回收装置的结构示意图；

图2为本实用新型另一实施例中反应器的结构示意图；

图3为本实用新型另一实施例中固定部2的结构示意图。

反应器 1

反应器箱体 101

上开口 1011

出料口 1012

反应器箱盖 102

内部反应空腔 11

阳极集料腔室 111

阴极集料腔室 112

喷淋头 13

控制面板 14

控制器 15

固定部 2

箱盖卡槽 21

箱体卡槽 22

供液系统 3

进液管 31

出液管 32

阳极回料总管 33

阴极回料总管 34

阳极储料罐 35

阴极储料罐 36

储液罐 37

进液总管 38

供液泵 39

第一抽液泵 310

第二抽液泵 311

进液阀门 312

出液阀门 313

第一过滤器 314

第二过滤器 315

超声波振荡器 4

膜电极 10

具体实施方式

本实用新型的目的是为了提供一种有效从废弃膜电极中分别回收离子交换膜、阴极催化剂和阳极催化剂的工艺和装置系统，具有流程简单、回收效率高、对环境污染小的特点，特别适用于工业领域大批量废弃膜电极的回收，可节省成本，减少废弃高分子聚合物和重金属对环境的污染。

图1为本实用新型一实施例中废弃膜电极的回收装置的结构示意图；图2为本实用新型另一实施例中反应器的结构示意图；图3为本实用新型另一实施例中固定部2的结构示意图。

如图1至图3所示，在一实施例中，本实用新型提供了一种废弃膜电极的回收装置，所述回收装置包括反应器1和至少一个固定部2，以及供液系统3；

反应器1具有内部反应空腔11；

至少一个固定部2设置在内部反应空腔11内，用于固定膜电极10，膜电极10将内部反应空腔11分割为间隔配置的阳极集料腔室111和阴极集料腔室112；

供液系统3包括至少一根进液管31和至少一根出液管32；

进液管31数量与阳极集料腔室111和阴极集料腔室112的数量对应，进液管31一端从反应器1外部分别插入阳极集料腔室111和阴极集料腔室112；

出液管32数量与阳极集料腔室111和阴极集料腔室112的数量对应，出液管32一端从反应器1外部分别插入阳极集料腔室111和阴极集料腔室112。

在本实施例中提供了一种废弃膜电极的回收装置的具体实施方式。膜电极10为板状结构，其一面为阴极面，另一面为阳极面，相邻膜电极10的阴极面相对设置，这样两者之间的空间为阴极集料腔室112，对应地，两个阳极面相对之间的空间为阳极集料腔室112，阴极集料腔室112和阳极集料腔室112相对被膜电极的极板隔离，供液系统是一种提供循环液让回收物质析出的混合溶液，所述混合溶液包括但不限于碳链长度为C1至C8的低碳烷基醇、丙酮、DMF、DMA、DMSO、NMP中的至少一种与水组成的混合溶液，所述循环液中水占总循环液的质量比为5％至90％。待回收的物质在阳极集料腔室111和阴极集料腔室112析出后，通过出液管32流出反应器1进行下一步处理，随着出液管32液体的流出，进液管31则不断可以有新的所述混合溶液流入，除了浸泡以外，为了更好的提高析出效率，还有其他的装置辅助析出过程，在后文中还有进一步的介绍，在此就不再赘述了。有助于解决现有技术中缺乏一种质子交换膜回收的技术方案。

另外，膜电极10应用在电解槽、燃料电池堆和再生燃料电池堆等设备中，无论是阳极集料腔室111和阴极集料腔室112都是相对独立密闭的腔室。各独立密闭腔室内分别充入所述混合溶液，对膜电极10浸泡0.1至48h。

在一实施例中，供液系统3还包括阳极回料总管33和阴极回料总管34，以及阳极储料罐35和阴极储料罐36、储液罐37、进液总管38、供液泵39。

阳极回料总管33与插入阳极集料腔室111的出液管32另一端连通；

阴极回料总管34与插入阴极集料腔室112的出液管32另一端连通；

阴极储料罐36与阴极回料总管34的一端连通；

储液罐37分别与阳极储料罐35和阴极储料罐36连通；

进液总管38与进液管31的另一端连通；

供液泵39串联在储液罐37与进液管31之间的进液总管38上。

在本实施中提供了一种供液系统3的具体实施方式，分离出的回收物质形成浆料，在阳极集料腔室111分离出的浆料从阳极回料总管33中回收，在阴极集料腔室112分离出的浆料从阴极回料总管34回收，分别存于阳极储料罐35和阴极储料罐36中。储液罐36用于所述混合溶液存储，供液泵39将整个系统循环供液，提供系统压力。

在一实施例中，阳极回料总管33和阴极回料总管34上分别串联有第一抽液泵310和第二抽液泵311。

在本实施例中提供了一种阳极回料总管33和阴极回料总管34上串联抽液泵，并进行管内加压的具体实施方式。

在一实施例中，每根进液管31和出液管32上分别串联有进液阀门312和出液阀门313。

在本实施例中提供了一种每根进液管31和出液管32设置有阀门的具体结构，以控制管路中的液体流动状态。

在一实施例中，阳极回料总管33和阴极回料总管34上分别串联有第一过滤器314和第二过滤器315。

在一实施例中，反应器1包括反应器箱体101和反应器箱盖102；

反应器箱体101具有上开口1011，反应器箱体11后方底部设置有出料口1012，出料口1012与出液管32连通；

反应器箱盖102盖在反应器箱体11的上开口1011上，反应器箱盖102上设置有进液口121，进液口121与进液管31连通。

在本实施例中提供了一种反应器1的具体结构，该箱体结构为防爆箱体。

在一实施例中，反应器1设置有超声波振荡器4。

在本实施例中提供了一种在反应器1中设置超声波振荡器4，以通过超声的方式进一步析出回收成分的具体实施方式。超声波振荡器4为多个，可以根据固定部2的数量对应设置。固定部2截面为U型卡槽，所述U型卡槽内具有由软质弹性材料设计而成的内凸起结构，所述的软质弹性材料为PVC、TPE、合成橡胶类弹性体。

在一实施例中，固定部2包括箱盖卡槽21和箱顶卡槽22。

在本实施例中提供了一种固定部2的具体结构，固定部2整体为外框结构，外框结构的截面为下开口的槽型结构，下开口用于插入膜电极10，箱体卡槽22位于反应器箱体11内，由于和反应器箱盖102分开，所以箱体卡槽22两端在盖上反应器箱盖102前，具有装配口，可以将膜电极10插入，最终盖上反应器箱盖102时，膜电极10顶部会插入箱盖卡槽21的装配口中，每一片膜电极10均可以采用该结构，另外，在外框结构的至少一侧与膜电极10结合处按照长度方向设置单面磁条密封条，膜电极10板状结构的中间部分为催化剂区域，这个区域是参加反应的部分，四周的边缘空白区域用于贴附密封条。

在一实施例中，反应器1包括喷淋头13，喷淋头13与进液口121连通。

在本实施例中提供了一种可以通过淋洗方式提高膜电极10析出效率的具体实施方式。综上所述，本实施例中可以通过冲刷、超声、淋洗等方式将催化层与膜电极完全剥离开来。并在所述混合溶液的循环过程中，对离子交换膜进行反复冲刷和淋洗，将剩余的催化剂全部收集至容器中，即阳极储料罐35和阴极储料罐36。

另外，最终将膜电极10反应完后，固定部2中取出，进一步洗涤和干燥，得到回收的离子交换膜；将收集的阴极和阳极催化剂浆料通过过滤和离心分离得到的阴极和阳极催化剂，分别用乙醇和超纯水对催化剂进行多次洗涤和分离，并在80℃～120℃真空干燥箱中干燥5～24h得到干燥的阴极和阳极催化剂粉末，分离出的上清液作为循环液继续使用。

需要指出的是，固定部2的材质可以是不锈钢、铝合金、聚砜、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、有机玻璃等材质。固定部2、反应器1和盛料的容器在使用前用乙醇和超纯水彻底清洗干净并干燥。

基于上述的回收装置：

废弃膜电极为质子交换膜电解水膜电极，即膜电极10，包括质子交换膜以及膜两侧的铂碳阴极催化层和铱黑阳极催化层。将废弃膜电极装载入固定部2中，固定部2包括两片具有环形中空结构的硬质夹板，本实施例中将N片膜电极10分别装载入N个固定部2中，分别为第一夹具、第二夹具……第N夹具；按照膜电极的阴极面和阳极面对夹具两面进行区分，本实施例中，夹具的A面为膜电极的阴极面，夹具的B面为膜电极的阳极面。

反应器1具有N(N≥1)个卡槽，从左到右依次为第一固定部2、第二固定部2……第N固定部2；将第一固定部2的A面朝左置入反应器1反应箱体11的第一固定部2中，在反应器1的左面形成第一个阴极集料腔室C1；将第二固定部2的B面朝左置入反应器1的第二固定部2中，则第二固定部2的B面与第一固定部2的B面相对而立，共同组成阳极集料腔室A1；将第三固定部2的A面朝左置入循环反应器的第三固定部2中，则第三固定部2的A面与第二固定部2的A面相对而立，共同组成第二阴极集料腔室C2，以此类推，将夹具依次同面相对放置，形成若干阴极和阳极间隔排列的独立腔室；在本实用新型的一个实施例中(图1)，N为偶数，则反应器1最右边的腔室为第(N/2+1)阴极集料腔室(N/2+1)；合上反应器的反应器箱盖102。在本实用新型的另一个实施例中，N为奇数，则循环反应器最右边的腔室为第(N+1)/2阳极集料腔室A(N+1)/2；合上反应器1的反应器箱盖102，在反应器1内形成多个独立的密闭阴极集料腔室C1-C(N+1)/2和多个独立的密闭阳极集料腔室A1-A(N+1)/2。

浸泡完毕后，开启循环反应器的超声波振荡器2，将催化剂从质子交换膜上剥离下来并进入溶液中，在密闭阴极集料腔室和密闭阳极集料腔室内分别形成阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料；打开各回料支管上的阀门，用抽液泵将各密闭阴极集料腔室内的阴极催化剂浆料分别抽至阴极回料支管内，阳极相同，进而汇流至阴极回料总管34，经过滤器17A过滤后将阴极催化剂浆料收集到阴极储料罐36；用阳极抽液泵11B将各密闭阳极集料腔室内的阳极催化剂浆料分别抽至阳极回料支管内，汇流至阳极回料总管33，经过滤器17B过滤后将阳极催化剂浆料收集到阳极储料罐35；利用循环反应器内的喷淋头对质子交换膜进行多次淋洗，直至将质子交换膜上的催化剂全部冲洗干净，并将洗下的溶液分别收集到阴极和阳极储料罐中。

清洗过程结束后，将质子交换膜从固定部2中取出，用双氧水、硫酸和超纯水进一步洗涤并干燥，回收得到质子交换膜，收集待用；将阴极和阳极储料罐内的阴极和阳极催化剂浆料分别过滤和离心分离得到的阴极和阳极催化剂，分别用乙醇和超纯水对催化剂进行多次洗涤和分离，并在80℃真空干燥箱中干燥12h得到干燥的阴极和阳极催化剂粉末，收集待用；上述从催化剂浆料中分离出催化剂过程以及催化剂洗涤和分离过程所产生的溶液，重新收集至储液罐内，作为循环液继续使用。

以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种废弃膜电极的回收装置，其特征在于，所述回收装置包括：

一反应器(1)，其具有内部反应空腔(11)；

至少一个固定部(2)，其设置在所述内部反应空腔(11)内，用于固定膜电极(10)，所述膜电极(10)将所述内部反应空腔(11)分割为间隔配置的阳极集料腔室(111)和阴极集料腔室(112)；

一供液系统(3)，其进一步包括：

至少一根进液管(31)，其数量与所述阳极集料腔室(111)和阴极集料腔室(112)的数量对应，所述进液管(31)一端从所述反应器(1)外部分别插入所述阳极集料腔室(111)和所述阴极集料腔室(112)；

至少一根出液管(32)，其数量与所述阳极集料腔室(111)和阴极集料腔室(112)的数量对应，所述出液管(32)一端从所述反应器(1)外部分别插入所述阳极集料腔室(111)和所述阴极集料腔室(112)。

2.根据权利要求1所述的废弃膜电极的回收装置，其特征在于，所述供液系统(3)还包括：

一阳极回料总管(33)，其与插入所述阳极集料腔室(111)的出液管(32)另一端连通；

一阴极回料总管(34)，其与插入所述阴极集料腔室(112)的出液管(32)另一端连通；

一阳极储料罐(35)，其与所述阳极回料总管(33)的一端连通；

一阴极储料罐(36)，其与所述阴极回料总管(34)的一端连通；

一储液罐(37)，其分别与所述阳极储料罐(35)和所述阴极储料罐(36)连通；

一进液总管(38)，其与所述进液管(31)的另一端连通；

一供液泵(39)，其串联在所述储液罐(37)与所述进液管(31)之间的所述进液总管(38)上。

3.根据权利要求2所述的废弃膜电极的回收装置，其特征在于，所述阳极回料总管(33)和所述阴极回料总管(34)上分别串联有第一抽液泵(310)和第二抽液泵(311)。

4.根据权利要求2所述的废弃膜电极的回收装置，其特征在于，每根所述进液管(31)和所述出液管(32)上分别串联有进液阀门(312)和出液阀门(313)。

5.根据权利要求4所述的废弃膜电极的回收装置，其特征在于，所述阳极回料总管(33)和所述阴极回料总管(34)上分别串联有第一过滤器(314)和第二过滤器(315)。

6.根据权利要求5所述的废弃膜电极的回收装置，其特征在于，所述反应器(1)包括：

一反应器箱体(101)，其具有上开口(1011)，所述反应器箱体(101)后方底部设置有出料口(1012)，所述出料口(1012)与所述出液管(32)连通；

一反应器箱盖(102)，其盖在所述反应器箱体(101)的上开口(1011)上，所述反应器箱盖(102)上设置有进液口(121)，所述进液口(121)与所述进液管(31)连通。

7.根据权利要求6所述的废弃膜电极的回收装置，其特征在于，所述反应器(1)设置有超声波振荡器(4)。

8.根据权利要求7所述的废弃膜电极的回收装置，其特征在于，所述固定部(2)包括箱盖卡槽(21)和箱体卡槽(22)。

9.根据权利要求8所述的废弃膜电极的回收装置，其特征在于，所述反应器(1)包括：

一喷淋头(13)，其与所述进液口(121)连通。