[发明专利]回收PEM燃料电池膜电极组件的部件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及PEM燃料电池膜电极组件的部件的回收方法。

背景技术

燃料电池将燃料和氧化剂(它们在位置上彼此分处在两个电极处)转 换成电力、热和水。可以使用氢或富氢气体作为燃料，使用氧或空气作为 氧化剂。燃料电池中的能量转换过程以特别高的效率为特征。聚合物电解 质膜燃料电池(PEM燃料电池)的紧凑设计、功率密度和高效率使其适合 用作能量转换器，且由于这些原因，与电动机联用的PEM燃料电池正越 来越重要地成为传统内燃机的替代品。

氢/氧型燃料电池依赖于造成电子和电能的生成和流动的阳极和阴极 反应，成为许多用途的有效电源。氢/氧燃料电池中的阳极和阴极反应可以 如下表示：

H₂→2H⁺+2e^-(阳极)

1/2O₂+2e-→H₂O(阴极)

各PEM燃料电池单元含有位于双极板(也称作隔板，其用于供应气 体和导电)之间的膜电极组件。膜电极组件(MEA)由两面都带有反应层 (即电极)的聚合物电解质膜构成。反应层之一呈用于将氢氧化的阳极形 式，第二反应层呈用于将氧还原的阴极形式。将由碳纤维纸或碳纤维织物 或布制成的气体分布层粘贴到电极上，它们使得反应气体可良好到达电极， 并使电流从电池良好地导出。阳极和阴极含有电催化剂，其为特定反应(分 别是氢的氧化和氧的还原)提供催化支持。优选使用元素周期表铂族中的 金属作为催化活性组分。使用载体催化剂，其中催化活性的铂族金属以高 度分散的形式施用到传导性载体材料表面上。铂族金属的平均微晶尺寸为 大约1至10纳米。微粒炭黑经证实是有效的载体材料。聚合物电解质膜由 质子传导性的聚合物材料构成。这些材料在下文又被称作离子交联聚合物。 优选使用具有酸官能、特别是硫酸基团的四氟乙烯-氟乙烯基醚共聚物。这 种类型的材料例如由E.I.DuPont以商品名出售。但是，也可以使 用其它离子交联聚合物材料，特别是无氟的实例，如磺酸化的聚醚酮或芳 基酮或聚苯并咪唑。

燃料电池由于其高能量效率(热机循环无法企及)、其潜在的燃料灵 活性及其极低的排放已被推广为运输动力源。燃料电池具有用于固定和车 辆动力用途的潜力；但是，燃料电池在固定和运输用途中用于发电的商业 可行性取决于许多制造、成本和耐久性问题的解决。

最重要的问题之一是燃料电池的质子交换催化剂的成本。用于低温燃 料电池的最有效的催化剂是贵金属，例如铂，它们非常昂贵。有些人估计， 这类催化剂的总成本为制造低温燃料电池的总成本的大约80％。

在典型方法中，将大约0.5至4毫克/平方厘米的所需贵金属催化剂以 油墨形式或使用复杂的化学程序施用到燃料电池电极上。这类方法要求施 用相对大载量的贵金属催化剂，以制造具有所需电催化活性水平的燃料电 池电极，特别是对于低温用途。这类催化剂的花费导致必须降低燃料电池 所需的催化剂的量或载量。这需要有效的施用该催化剂的方法。

近年来，已经开发出许多沉积方法，包括辊涂、喷涂、溶液浇注/热压、 和电化学催化，以用于制造PEM燃料电池的Pt催化剂层。

在是氢/氧燃料电池的情况下，已经针对降低配制物中昂贵的铂催化剂 的量对催化剂施用方法作出一些改进。例如通过合并溶解的全氟磺酸酯离 子交联聚合物()、载体催化剂(碳载Pt)、甘油和水来实现组 合物的开发。这造成低铂载量电极的使用。下列公开文献教导了用于氢/ 氧燃料电池的这些方法中的一些：授予Wilson的美国专利5,234,777；M.S. Wilson等人，J.App.Electrochem.，22(1992)1-7；C.Zawodzinski等人， Electrochem.Soc.Proc，第95-23卷(1995)57-65；A.K.Shukla等人，J. App.Electrochem.，19(1989)383-386；授予Messell的美国专利5,702,755； 授予Mussell的美国专利5,859,416；授予Hards等人的美国专利5,501,915。