一种燃料电池电堆的回收利用方法

1.本发明涉及电池电堆回收技术领域，具体是指一种燃料电池电堆的回收利用方法。


背景技术：

2.燃料电池系统通过电化学反应发电，对环境零污染，燃料电池系统主要包括氢气供应系统、空气供应系统、电堆系统和冷却系统。
3.燃料电池电堆是发生电化学反应场所燃料电池动力系统核心部分。每个单电池主要包括双极板、膜电极以及位于膜电极之间的质子交换膜。考虑到燃料电池电堆的结构成本，内部部件损坏，发生泄露、串流、堵塞、局部短路等故障，燃料电池电堆可以回收拆卸维护，电堆的返工和返修是电堆制造、售后维护中不可避免的工艺过程。


技术实现要素：

4.针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本方案提供一种燃料电池电堆的回收利用方法。
5.本发明采取的技术方案如下：本方案燃料电池电堆的回收利用方法，包括如下步骤：
6.s1，预处理：将待拆解的燃料电池电堆移至合适的温湿度条件区域中；向燃料电池电堆中注入去离子水，静置5h，防止膜发生蜷缩影响回收利用效果；将燃料电池电堆搬运至翻转架上，上下压膜将燃料电池电堆进行压缩，在压缩状态进行拆解，拆卸燃料电池电堆的连接件，将燃料电池电堆转至水平后静置释放压力和液态水，随后解体燃料电池电堆各单体，深度清理，将各单体放于去离子水的超声波仪器中进行处理，检测，对石墨双极板、膜电极组件进行检测回收，对不合格的部件进行替换；
7.s2，石墨双极板、气体扩散层回收利用：
8.将石墨双极板进行破碎形成石墨颗粒，将石墨颗粒浸渍于45％浓度盐酸溶液中，浸渍30min，并将浸渍后的石墨颗粒进行清洗、干燥获得纯净石墨颗粒；
9.将胶水化解液，涂覆在膜电极组件上，使膜电极组件中的边框与气体扩散层、质子交换膜/催化剂组件分离；
10.将气体扩散层破碎后置于水浴锅内进行超声处理清洗，清洗完成后将气体扩散层碎片置于浓度为10～30％乙醇溶液中使气体扩散层碎片机械搅拌溶解制得碳纤维浆液，碳纤维浆液可以被用于喷涂在网格框架上，作为生产气体扩散层的原料；
11.石墨双极板主要包括芯层和外层，所用的石墨主要利用双极板回收的石墨，芯层由石墨构成，外层由石墨和憎水材料以质量比1：1～1：4复合构成，憎水材料含量呈梯度逐层变化，由内至外憎水材料含量逐层上升，石墨双极板厚度为1～2mm，芯层厚度占石墨双极板厚度的60～80％，外层厚度占10％～30％，石墨双极板制备方法是将外层料、芯层料、外层料按顺序进行热压；将热压完成的材料进行热等静压处理，热等静压温度800～1200℃，
压力50～180mpa，时间为30～60min，最后得到石墨双极板；
12.s3，质子交换膜、催化剂的回收再利用：
13.所述质子交换膜/催化剂组件中的催化剂为铂碳催化剂，去除气体扩散层后，将质子交换膜/催化剂组件浸入醇水溶液中，并利用微波辐射或者在醇水中先利用超声处理，再利用湿法球磨方法分离质子交换膜和催化剂；
14.对质子交换膜进行检测，若所得质子交换膜的电导率为70～93ms/cm，断裂伸长率为240～420％，抗拉伸强度为9～15mpa，杨氏模量为90～140mpa，可直接再利用；若所清洗后的质子交换膜有破损，或回收所得质子交换膜无破损，但电导率或断裂伸长率或抗拉强度或杨氏模量不满足上述条件时将质子交换膜在高压釜中进行水热反应得到nafion浆液进行再铸；
15.回收的经处理后的质子交换膜并对其用去离子水进行清洗得回收待用的质子交换膜，将质子交换膜置于醇水中并在高压釜中进行水热反应得到nafion浆液，过滤nafion浆液得到少量催化剂，将nafion浆液进一步提炼成nafion树脂进行再铸制备nafion膜；
16.取出质子交换膜，将所得黑色浆液及过滤得到的少量催化剂再次进行微波辐射处理还原铂氧化物得到单质铂催化剂或者将所得黑色浆液依次进行固液分离、微波热熔、高温真空干燥得到单质铂催化剂，或向黑色浆液中加入浓度为0.8mol/l盐酸和浓度为0.3mol/l双氧水的混合溶液，制取氯铂酸溶液。
17.作为进一步的优选，所述胶水化解液为二氯甲烷、异链烷烃、硝基甲烷中的一种或多种混合。
18.作为进一步的优选，所述微波辐射处理时间为15min，温度150℃，功率200w左右；所述醇水为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、异丁醇、正丙醇、正丁醇中的一种或多种混合物水溶液；所述超声处理时间为150min，所述湿法球磨转速为150转/min，时间为150min。
19.作为进一步的优选，所述合适的温湿度条件区域要求温度20℃、湿度60％。
20.作为进一步的优选，所述超声波仪器处理时间为60～120min，重复处理5次。
21.作为进一步的优选，所述石墨颗粒粒粒径为100～350目。
22.优选地，所述气体扩散层碎片放入水浴锅中在恒温60℃的超声水浴中处理30～60min。
23.优选地，所述固液分离用离心机转速7000转/min，时间为30～60min。
24.优选地，所述高温真空干燥温度75℃，干燥时长5h。
25.采用上述结构本发明取得的有益效果如下：本方案有效拆卸分解燃料电池电堆，避免燃料电池电堆内零部件损坏影响二次使用，节省电堆成本，循环利用；实现质子交换膜、铂、石墨等材料的同时高效快速回收，降低质子交换膜燃料电池成本，对环境污染小，能够重复循环利用。
附图说明
26.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
27.图1为本方案燃料电池电堆的回收利用方法的流程图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.如图1所示，作为一种实施例，燃料电池电堆的回收利用方法，包括如下步骤：
31.s1，预处理：将待拆解的燃料电池电堆移至合适的温湿度条件区域中，要求温度20℃、湿度60％；向燃料电池电堆中注入去离子水，静置5h，防止膜发生蜷缩影响回收利用效果；将燃料电池电堆搬运至翻转架上，上下压膜将燃料电池电堆进行压缩，在压缩状态进行拆解，拆卸燃料电池电堆的连接件，将燃料电池电堆转至水平后静置释放压力和液态水，随后解体燃料电池电堆各单体，深度清理，将各单体放于去离子水的超声波仪器中进行处理，处理时间为60～120min，重复处理5次，检测，对石墨双极板、膜电极组件进行检测回收，对不合格的部件进行替换；
32.s2，石墨双极板、气体扩散层回收利用：
33.将石墨双极板进行破碎形成石墨颗粒，石墨颗粒粒粒径为100～350目，将石墨颗粒浸渍于45％浓度盐酸溶液中，浸渍30min，并将浸渍后的石墨颗粒进行清洗、干燥获得纯净石墨颗粒；
34.将胶水化解液，涂覆在膜电极组件上，使膜电极组件中的边框与气体扩散层、质子交换膜/催化剂组件分离，胶水化解液为二氯甲烷、异链烷烃、硝基甲烷中的一种或多种混合；
35.将气体扩散层破碎后置于水浴锅内进行超声处理清洗，恒温60℃的超声水浴中处理30～60min，清洗完成后将气体扩散层碎片置于浓度为10～30％乙醇溶液中使气体扩散层碎片机械搅拌溶解制得碳纤维浆液，碳纤维浆液可以被用于喷涂在网格框架上，作为生产气体扩散层的原料；
36.石墨双极板主要包括芯层和外层，所用的石墨主要利用双极板回收的石墨，芯层由石墨构成，外层由石墨和憎水材料以质量比1：1～1：4复合构成，憎水材料含量呈梯度逐层变化，由内至外憎水材料含量逐层上升，石墨双极板厚度为1～2mm，芯层厚度占石墨双极板厚度的60～80％，外层厚度占10％～30％，石墨双极板制备方法是将外层料、芯层料、外层料按顺序进行热压；将热压完成的材料进行热等静压处理，热等静压温度800～1200℃，压力50～180mpa，时间为30～60min，最后得到石墨双极板；
37.s3，质子交换膜、催化剂的回收再利用：
38.质子交换膜/催化剂组件中的催化剂为铂碳催化剂，去除气体扩散层后，将质子交换膜/催化剂组件浸入醇水溶液中，并利用微波辐射或者在醇水中先利用超声处理，再利用湿法球磨方法分离质子交换膜和催化剂，微波辐射处理时间为15min，温度150℃，功率200w左右；醇水为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、异丁醇、正丙醇、正丁醇中的一种或多种混合物水溶
液；超声处理时间为150min，湿法球磨转速为150转/min，时间为150min；
39.对质子交换膜进行检测，若所得质子交换膜的电导率为70～93ms/cm，断裂伸长率为240～420％，抗拉伸强度为9～15mpa，杨氏模量为90～140mpa，可直接再利用；若所清洗后的质子交换膜有破损，或回收所得质子交换膜无破损，但电导率或断裂伸长率或抗拉强度或杨氏模量不满足上述条件时将质子交换膜在高压釜中进行水热反应得到nafion浆液进行再铸；
40.回收的经处理后的质子交换膜并对其用去离子水进行清洗得回收待用的质子交换膜，将质子交换膜置于醇水中并在高压釜中进行水热反应得到nafion浆液，过滤nafion浆液得到少量催化剂，将nafion浆液进一步提炼成nafion树脂进行再铸制备nafion膜；
41.取出质子交换膜，将所得黑色浆液及过滤得到的少量催化剂再次进行微波辐射处理还原铂氧化物得到单质铂催化剂或者将所得黑色浆液依次进行固液分离、微波热熔、高温真空干燥得到单质铂催化剂，向黑色浆液中加入浓度为0.8mol/l盐酸和浓度为0.3mol/l双氧水的混合溶液，制取氯铂酸溶液，固液分离用离心机转速7000转/min，时间为30～60min，高温真空干燥温度75℃，干燥时长5小时。
42.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
43.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
44.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。