[发明专利]一种质子交换膜燃料电池的回收方法

说明书

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的回收方法，属于资源循环利用领域。所述方法包含质子交换膜燃料电池拆解、全氟磺酸(Nafion)膜溶解和铸膜再生、铂的氧化络合及提纯精炼，最终得到双极板、再生Nafion膜和铂锭。本发明采用有机溶剂溶解回收高价值的Nafion膜，避免了传统直接焚烧产生的氟化物污染，具有显著的经济效益；采用阳离子树脂吸附和火法精炼除杂，得到纯度99.99％以上的铂锭，具有流程短、无污染物排放的特点，适合于工业化应用。

技术领域

本发明主要属于资源循环利用技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池的回收方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池系统是质子交换膜燃料电池汽车的核心，由燃料电池堆和辅助系统组成，其成本约占到整车成本的63％。燃料电池系统中电堆的成本达到了2/3，燃料电堆的成本约占整个燃料电池车成本的41％。燃料电池堆是燃料电池系统的心脏，单个燃料电芯主要是由双极板(氢氧供给的机构)和膜电极构成，膜电极主要是由质子交换膜、扩散层(碳纤维膜)、铂催化剂组成。质子交换膜燃料电池的工作原理为：以氢气为燃料，以空气或氧气为氧化剂在铂催化下发生氧化还原反应，质子交换膜单向导通H⁺形成电流。

质子交换膜是燃料电池(PEMFC)的核心部件，厚度仅50～180um。质子交换膜是燃料电池电解质和电极活性物质(催化剂)的基地，具有选择透过性，即只容许H⁺透过，而不容许H₂分子及其它离子透过。质子交换膜具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合等性能。

目前，燃料电池中大量采用的是Nafion膜。Nafion是一种过氟磺酸聚合物，具有氟化共聚物骨架，磺酸基团与其化学连结，并有固定位置，质子则联结自由，可起导电作用。Nafion膜的价格昂贵，在燃料电池系统中膜的成本占总成本的20％～30％。双极板目前主要有金属双极板、无空石墨双极板、石墨/树脂复合双极板。目前应用最广泛的双极板是机加石墨板，由于纯石墨板硬度大且脆，需要精密的机械加工，双极板占整个燃料电池重量的60％、成本的13％。由于质子交换膜电池运行温度较低，必须使用铂系贵金属用于提升氢气和氧气的反应速度，目前使用量在100g左右。近年来铂的用量已大幅减少。膜电极上铂的负载量从10mg/cm²降到了0.02mg/cm²，铂的负载量降低了近200倍，根据美国能源局目标，随着燃料电池电堆技术的创新，未来质子交换膜电堆中铂用量将有望降低至50g，而最终目标是将用量控制在20-30g。因此，质子交换膜燃料电池的回收能缓解铂的供应和具有显著的经济效益。

近年来，质子交换膜燃料电池的回收逐渐引起人们的关注。中国发明专利(200810011454.3)公开了一种超声震落、高压溶解和离心分离的方法回收燃料电池中贵金属催化剂，该方法效率不高，离心分离不彻底，铂的纯度不高，而且质子交换膜未能有效回收。中国发明专利(200610111901.3)公开了一种剥离膜电极的基体材料的方法，即用溶剂将质子交换膜和催化层分别，该专利未涉及质子交换膜的回收再利用和催化层中铂的回收。中国发明专利(201710047458.6)公开了一种废旧燃料电池资源化的方法，具体涉及双极板和膜电极的分离、膜电极热解、铂氧化浸出。该方法回收了双极板和铂，但质子交换膜热裂解没有回收，且热裂解产生大量的氟化物和硫化物，环境污染严重。中国发明专利(201510953480.8)公开了超声剥离质子交换膜、阴极、阳极催化层、电子交换膜清洗、铂炭催化剂回收，该方法回收了质子交换膜与金属铂，但操作难度大，特别是电解质膜的回收，很难从固液相中直接取出。

综上，现有的质子交换膜回收过程存在氟化物、硫化物污染、有价材料未高效回收问题，如何将燃料电池中高价值材料(双极板、质子交换膜、铂)循环利用是今后研究的重点与难点。

发明内容