[发明专利]一种降低离子交换膜对硼氢化钠燃料渗透的原位处理方法

说明书

本发明公开了一种降低离子交换膜对硼氢化钠燃料渗透原位处理离子交换膜的方法，包括如下步骤。首先将离子交换膜与电极、流场、夹板等部件组装电池，先不通入燃料和氧气，而是先在阴极通入过渡金属盐溶液，过渡金属盐溶液浓度为1M～5M，并保持过渡金属盐溶液填满阴极流场5～30分钟，使过渡金属盐中的过渡金属离子渗入离子交换膜中的微孔道，之后排空该过渡金属盐溶液；然后在阳极通入硼氢化钠溶液，在阴极通入氧气，即可正常启动电池工作，对外发电。其中过渡金属盐为氯化钴、氯化铜、硫酸钴或氯化铁。经过本发明处理的离子交换膜由于过渡金属离子阻塞了微孔道而显著降低燃料渗透率，从而避免了渗透的燃料在阴极产生混合电势降低电池电压，保障电池发挥出优良的性能。且方法简便易行。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及聚合物电解质膜燃料电池中离子交换膜的处理方法。

背景技术

燃料电池作为一种将化学能转换为电能的特殊装置，由于具有能量转换效率高、低污染、储能物质选择范围宽、低噪音等多种其他能量发生装置不可比拟的优越性，被认为是最有希望的、环境友好的新型化学电源之一。其中，聚合物电解质膜燃料电池具有快速启动和对负荷变化的快速响应等优点，受到越来越多的关注，成为了最近的研究热点。

聚合物电解质膜燃料电池以聚合物电解质膜为固体电解质，起到分割阴阳两极及传导质子（H⁺）或氢氧根离子（OH^-）的作用，是聚合物电解质燃料电池中的一个关键部件。聚合物电解质膜的性能好坏对聚合物电解质膜燃料电池的发电性能起到了决定性的作用，因而高性能聚合物电解质膜的研究与开发就显得尤为重要。

聚合物电解质膜燃料电池通常根据传导离子的不同，可分为使用质子交换膜的酸性聚合物电解质膜燃料电池和使用碱性阴离子交换膜的碱性聚合物电解质膜燃料电池。目前，商业化的质子交换膜如美国杜邦公司生产的全氟磺酸（Nafion）膜，由于具有高导电率、优良的化学、电化学及机械稳定性，是目前商业应用于燃料电池中最多的聚合物电解质膜。但是Nafion膜制备工艺复杂、价格高昂、制备过程对环境造成危害、必须使用贵金属催化剂等问题，限制了质子交换膜燃料电池进一步的商业化使用。而另一方面，相对于质子交换膜燃料电池，碱性阴离子交换膜燃料电池具有一系列独特优点：由于其碱性环境，燃料电池具有更快的反应动力学、可以使用非贵金属催化剂以及便于运输的甲醇或乙醇等有机燃料。

直接硼氢化钠燃料电池是直接利用硼氢化钠水溶液为燃料，氧或空气作为氧化剂的一种新型燃料电池。它的工作原理是：在阳极区，负极活性物质硼氢化钠水溶液经阳极流场板均匀分配后，通过阳极扩散层扩散并进入阳极催化层中（即阳极电化学活性反应区域），在碳载铂电催化剂的作用下发生电化学氧化反应，生成质子、电子和偏硼酸根。产生的质子通过全氟磺酸膜聚合物电解质迁移到阴极，电子通过外电路传递到阴极，偏硼酸根从阳极出口排出；阴极区，正极活性物质氧气或空气经阴极流场板均匀配后，通过阴极扩散层扩散并进入阴极催化层中（即阴电化学活性反应区域），在碳载铂电催化剂的作用下与从阳极迁移过来的质子发生电化学还原反应生成水随反应尾气从阴极出口排出。其电极反应如下：

阳极反应：BH₄^-+2 H₂O→BO₂^-+8 H⁺+8ｅ；

阴极反应：2O₂+8 H⁺+8ｅ→4 H₂O；

总反应：BH₄^-+2 O₂→BO₂^-+2 H₂O 。

硼氢化钠在室温下为液态，具有很高的能量密度。然而燃料渗透是影响直接硼氢化钠燃料电池性能的关键问题。当硼氢化钠透过膜到阴极后，会产生混合电势降低电池总电压损害电池发电效率。