CN102101085B - 一种制备燃料电池膜电极的自动喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种制备燃料电池催化膜电极的自动喷涂装置，包括工作台、喷枪，所述工作台为抽真空热台，其为空心箱体，箱体内设置有电加热元件，箱体通过管路与抽真空系统相连，上表面呈平板状，在平板状的上表面开设有能入箱体内腔的孔；所述喷枪通过管路与喷涂机储液料斗相连，在料斗的底部或侧壁上设置有超声震荡器；喷枪喷嘴处设置有伞状加热罩。本发明载放膜材料的抽真空热台可以加速溶剂挥发和避免膜的溶胀变形。喷涂过程中催化剂料液处于超声震荡的环境，以保证料液的均匀性。通过对喷枪枪口和膜材料之间的扇形环境进行加热，可以提高料液在喷涂过程中溶剂的挥发。喷涂厚度通过控制料液的浓度、喷涂流量以及喷涂次数来决定。相对于传统手动喷涂制备膜电极，该自动喷涂装置不仅提高了喷涂效率、保证了的喷涂的均匀性和实验的可重复性，更因为引入抽真空热台、超声震荡等原件使得直接喷涂法制备膜电极遇到的膜溶胀，浆料长时间放置沉降等问题得到相应解决。

Description

一种制备燃料电池膜电极的自动喷涂装置

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池膜电极的制备，具体地说是一种用于质子交换膜燃料电池催化膜电极制备的自动喷涂装置，有效提高了喷涂效率和均匀性，同时采用了抽真空热台、超声震荡和喷涂环境加热罩，有效的改善了直接喷涂法制备催化膜电极时膜的溶胀变形问题，加速了溶剂挥发。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种以氢气为燃料，能够有效的将其化学能转化为电能的发电装置，它的能量密度高，启动速度快，操作温度低，以及环境友好等特点，决定了它非常适合作为电动汽车动力源、便携式小型电源以及水下动力系统电源等。因而，自上世纪九十年代以来，受到各国政府和能源、汽车、家电和军工等各方面的广泛关注，技术发展迅速。

质子交换膜燃料电池的关键组成-电极部件，是电池内部化学反应发生的地方。电极的制备方法以及结构改性是近年来的研究热点。其中催化膜电极，更是以其性能优异，催化剂利用率高等优点引起了广泛关注。催化膜电极是催化层直接依附在质子交换膜上的一种电极结构，其制备方法包括转压法和直接喷涂法。转压法是将催化剂浆料首先喷涂到一种中间介质上，然后再通过加热加压转印到质子交换膜上，这种工艺虽然相对繁琐，但是有效避免了膜遇到溶剂时发生溶胀变形，而且经过热压过程，催化层与膜接触较好。另一种制备方法是直接喷涂法，即将料液直接喷涂到质子交换膜上制备成膜电极，这种制备方法简易方便，大大提高了电极制备的效率和简化了工艺过程。然而直接喷涂法中，由于料液直接接触质子交换膜，容易造成膜的溶胀变形。此外，催化膜电极制备时的喷涂过程，如果按照传统手动喷涂，不仅效率很低，而且不能保证喷涂的均匀性。

自动喷涂装置，是指设计一个可以通过程序控制喷涂速度和喷涂流量的装置，通过机器带动喷枪的开启、关闭和行进。自动喷涂装置不仅可以提高喷涂效率，还可以保证喷涂的均匀性和实验的重现性。自动喷涂装置已经有了很多的成品出现，但是针对质子交换膜燃料电池中膜电极制备存在问题而设计的自动喷涂装置还未见报道。

自动喷涂制备催化膜电极时，质子交换膜遇到溶剂会发生溶胀变形，浆料长时间放置会发生沉降团聚。膜的溶胀变形问题，可以通过对膜以及喷涂环境加热，加速溶剂的挥发来解决；也可以对利用外力，当膜变形时强制对膜进行固定，例如利用抽真空作用将膜强力吸附在台面上以保持平整。而浆料的沉降则可以加设超声震荡组件，对浆料进行实时的超声处理，以保证浆料的均匀分散。

相关专利如下：

CN201168668提出一种自动喷涂装置，由喷涂机构，液体动力输送机构，气体动力输送机构和控制装置组成，喷涂机构由铰接支座，液压油缸，桁架，桁架支臂，喷头吊具，旋转喷头组成，旋转喷头通过管道与液体动力输送机构、气体动力输送机构相连接，控制装置与液、气体动力输送机构、液压油缸相连接。液体管道和压缩空气管道铺设在桁架上。液体动力输送机构由贮液槽，液压泵所组成，此液压泵与液体管道相连接。气体动力输送机构为空气压缩机。控制装置由控制电源，PLC控制器，液压油缸、液压泵、空气压缩机控制器所组成。是一种操作方便、安全、工作效率高的自动喷涂装置。

CN201154338公开了一种自动喷涂机。该喷气机的机座上安装有一可旋转的旋转台，于旋转台外围均匀设置有用于放置待喷漆产品的支架；于机座上可旋转台中间设置有一立柱，该立柱固定在机座上，于立柱上安装有喷头，立柱上成型有纵向滑槽，该喷头通过滑轨与滑槽配合可沿滑槽往复运行。使用时将产品固定在旋转台的支架或者支撑圈上的垂杆上，喷头安装在立柱上，并可上下自由运行，对处于不同高度的产品进行喷漆作业。同时旋转台可以自由旋转，喷头可以依次对不同支架上放置的产品进行喷漆作业，这样就减少了产品更替时间。另外由于支架可自行自转，一带动其上产品进行360°旋转，这样可以彻底消除喷漆死角。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备质子交换膜燃料电池用催化膜电极的自动喷涂机。利用程序控制喷枪的行进过程，以实现喷涂过程机械化。针对直接喷涂法制备催化膜电极时遇到的问题(膜溶胀、浆料沉降等)，在自动喷涂机上加设元器件，以使问题得到解决。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

在现有自动喷涂机的基础上重新对工作台、喷枪、储液料斗进行改进；

一种制备燃料电池膜电极的自动喷涂机，包括工作台、喷枪，

所述工作台为抽真空热台，其为空心箱体，箱体内设置有电加热元件，箱体通过管路与抽真空系统相连，上表面呈平板状，在平板状的上表面开设有能入箱体内腔的孔；

所述喷枪通过管路与喷涂机储液料斗相连，在料斗的底部或侧壁上设置有超声震荡器。

在所述的喷枪喷嘴处设置有伞状加热罩，喷嘴从伞状加热罩的顶部伸入伞体内部，对从喷嘴喷出的料液进行加热。

所述伞状加热罩由伞状的支架，及支架上设置的电加热元件构成；电加热元件为电加热棒或电加热丝；抽真空系统为真空泵。

电极喷涂厚度的控制：根据配制催化剂浆料的浓度，调节喷枪喷涂流量，可以推断喷涂一个循环所喷涂电极的厚度，调节喷涂次数来实现不同厚度电极的制备。

针对直接喷涂法制备膜电极可能遇到的膜溶胀变形问题，本发明在自动喷涂机上加设一个能够抽真空的热台，膜放在台面上时，由于温度较高能够加速溶剂挥发避免变形，同时抽真空作用使膜紧紧贴附在台面上。同时，为了加速溶剂挥发，还对喷枪到膜之间的喷涂环境加设环境温度加热组件，辅助溶剂的挥发。针对浆料放置过程中的沉降问题，在料斗内部安装超声震荡组件，以对浆料进行实时震荡，保证其均一性。

本发明具有如下优点：

1.本发明中在膜电极自动喷涂机上加设抽真空的热台，这对于避免膜的溶胀变形有了很大的改善作用。

2.本发明中在膜电极自动喷涂机上加设超声震荡系统，这对于改善料液的沉降和团聚有很明显的作用。

3.本发明中在膜电极自动喷涂机上加设喷涂环境加热系统，这对于加速喷涂时有机溶剂的挥发有利，同样可以改善膜的溶胀变形。

附图说明

图1由自动喷涂机制备的膜电极表面显微镜照片；

图2自动喷涂机制备的膜电极的电池性能；

图3本发明自动喷涂机结构示意图，图中：1为X，Y轴伺服运行系统；2为喷枪系统与X，Y轴伺服运行系统的链接杆；3为喷枪；4为气缸；5为喷枪进气管路；6为料液储罐；7为超声震荡器；8喷枪枪嘴；9为伞状加热罩；10为伞状支架；11为电加热丝；12为抽真空热台；13为电加热棒；14为台面的抽真空气孔；15为真空泵；16为链接真空泵的气孔

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步详细说明。

该自动喷涂装置由五大部份组成：X，Y轴伺服运行系统、喷枪系统、抽真空热台、超声震荡器和环境加热系统。

1)第一部分是X，Y轴伺服运行系统(此处与现有自动喷涂机结构相同)：通过设定程序，利用X，Y轴伺服机带动喷枪的行进，以实现不同形状(方形、圆形等)和不同尺寸膜电极的喷涂制备。

X，Y轴伺服机系统的作用：可以带动喷枪在X和Y轴方向移动，通过程序设定，可以实现方形，圆形等不同形状不同尺寸膜电极的喷涂。行进速度在1cm/s到10cm/s之间可调。

2)第二部分是喷枪系统(此处与现有自动喷涂机结构相同)：利用X，Y轴运行的伺服运行系统带动喷枪，喷枪的开启和关闭通过程序操控的汽缸动作来控制，喷涂的速度和流量通过调节气速以及枪口口径来控制。

通过设定喷枪行进速度以及喷涂流量来实现制备不同尺寸和形状的膜电极。

喷枪系统的作用：喷枪系统包括一个控制喷枪开启和关闭的汽缸，喷枪和进入喷枪的气路。随着喷枪的行进，程序控制汽缸的升起和放下来控制喷枪的开启和关闭。即当喷枪在X，Y轴行进时，汽缸抬起喷枪开启并喷涂，当喷枪在X，Y轴终点的时候，汽缸放下关闭喷枪。而通过控制气量的大小以及喷枪口径，则可以控制喷涂流量。

3)第三部分是抽真空热台：用于载放膜材料，热台的加热温度30～200℃之间可控。台面有分布均匀的抽真空小孔，膜放置在其上，通过抽真空作用可以紧紧贴在台面上。加热的作用使得溶剂快速挥发，抽真空的作用避免了膜的溶胀变形。

抽真空热台的作用：由于在直接喷涂法制备膜电极时，膜遇到有机溶剂容易发生溶胀变形，导致催化剂渗入膜内，不仅造成催化层分布不均，催化剂利用率下降，更会引起膜的渗氢以及导致影响电极寿命等。而对膜进行加热，可以显著提高有机溶剂的挥发速度，缓解了膜的变形问题。热台温度在30℃到200°之间可调。台面上均匀分布的小孔用于抽真空，将膜紧紧贴附在台面上，有效的避免了膜的形变。抽真空通过一个真空泵来实现，由于膜的透气性有限，当真空度升高到恰好使膜紧密贴紧台面时，整个抽真空达到一个平衡状态，真空度不再升高。

4)第四部分是料液超声震荡器：喷涂过程中，对料液进行周期性的超声震荡，能够保证料液的均匀度，有效避免料液在放置过程中的沉降，团聚等现象的发生。

超声震荡系统的作用：喷涂过程中，料斗中的浆料由于长时间放置容易发生沉降、团聚等现象，这非常不利于所形成催化层的均匀性，同时容易造成喷枪的堵塞。通过在料斗中加设超声震荡组件，在喷涂过程中实时的对料液进行震荡，可以解决这一问题。

5)第五部分是喷涂环境加热系统：该组件为一个伞状加热罩，与喷枪头固定在一起，并能够随着喷枪的行进而行进，用于加热从喷枪喷出的料液，使料液在从枪口到膜之间的环境中加热、加速溶剂挥发。

环境加热系统的作用：对喷枪和膜之间的喷涂环境加热，可以使料液中的有机溶剂在环境中加速挥发，以接近全干的状态喷射到膜上，这对避免膜的溶胀变形是非常有利的。加热系统为一个伞状的加热罩，与喷枪固定在一起，并随着喷枪的行进而运动。设计为伞状是为了与喷射出的料液形状相接近。

利用该自动喷涂机进行膜电极制备的过程中，电极厚度是通过控制喷涂料液的浓度，喷涂的流量，以及控制喷涂的循环次数来控制。

实施例1

如图3所示，一种制备燃料电池膜电极的自动喷涂机，其包括工作台、喷枪，在现有HY-5S型自动喷涂机的基础上从新对工作台、喷枪、储液料斗进行改进；

所述工作台为抽真空热台，其为空心箱体，箱体内设置有电加热丝，箱体通过管路与真空泵相连，上表面呈平板状，在平板状的上表面开设有能入箱体内腔的孔；

所述喷枪通过管路与喷涂机储液料斗相连，在料斗的底部设置有超声震荡器；在所述的喷枪喷嘴处设置有伞状加热罩，喷嘴从伞状加热罩的顶部伸入伞体内部，对从喷嘴喷出的料液进行加热，伞状加热罩由伞状的支架，及支架上设置的电加热丝构成。

本实施例设计热台台面有效面积为50cm×60cm，其上的抽真空孔的直径为1mm，间距为2cm。X，Y轴伺服机的运行长度为100cm×100cm，这样可以保证最大电极的面积为50cm×60cm。

将热台温度设为70℃，喷枪距台面距离设为10cm，喷枪运行速度设为2cm/s。将一张有效面积为22cm×12cm质子交换膜铺在热台上，其他没有被膜覆盖的抽真空孔用软性胶皮盖住，打开真空泵，膜便紧紧贴附在台面上了。将催化剂料液导入料斗，开启超声震动，为了放置震动时间过长引发温度升高，利用程序设定震动的频率为震10s，停30s。开启喷涂环境加热罩，温度设为70℃。设定程序，向膜上喷涂有效面积为20cm×10cm的催化层。单面喷涂结束后，将膜翻面，继续喷涂另一面。至此，一张膜电极就完成了。

该膜电极的显微镜照片如图1所示，可以看出喷涂的膜电极的微观形貌非常的均匀。该膜电极的电池性能如图2所示，电池性能良好，氢空条件的电池性能在1000电密之内没有明显的传质极化。

实施例2

与实例1不同之处在于：抽真空孔间距设为1cm，喷枪距台面距离5cm，喷涂速度3cm/s。

实施例3

与实例1不同之处在于：热台温度和喷涂环境加热罩温度设为90℃。

实施例4

与实例1不同之处在于：喷涂膜电极的形状为圆形。

Claims (4)

1.一种制备燃料电池膜电极的自动喷涂机，包括工作台、喷枪，其特征在于：

所述工作台为抽真空热台，其为空心箱体，箱体内设置有电加热元件，箱体通过管路与抽真空系统相连，上表面呈平板状，在平板状的上表面开设有能入箱体内腔的孔；

所述喷枪通过管路与喷涂机储液料斗相连，在料斗的底部或侧壁上设置有超声震荡器；

在所述的喷枪喷嘴处设置有伞状加热罩，喷嘴从伞状加热罩的顶部伸入伞体内部，对从喷嘴喷出的料液进行加热。

2.按照权利要求1所述自动喷涂机，其特征在于：所述伞状加热罩由伞状的支架，及支架上设置的电加热元件构成。

3.按照权利要求1或2所述自动喷涂机，其特征在于：所述电加热元件为电加热棒、电加热丝或电加热线圈。

4.按照权利要求1所述自动喷涂机，其特征在于：所述抽真空系统为真空泵。

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