CN106861958A - 一种制备燃料电池膜电极的静电喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种用于燃料电池膜电极制备的新型喷涂装置，其由外壳、抽真空加热台、xy轴机械装置、带有搅拌功能的浆料供应系统、静电喷头、静电发生器等几大部分组成。该喷涂装置工作时，通过静电发生器产生电荷，输送到经过喷头的浆料，使浆料带有静电荷，并雾化，然后趁机在质子交换膜表面，通过静电的作用，提高催化剂浆料的利用率，提高催化层的均一性等。

Description

一种制备燃料电池膜电极的静电喷涂装置

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静电喷涂装置。可以通过静电的控制，实现对批量制备催化层的平整度、均一性等进行控制，提高催化剂浆料的利用率，结合xy轴伺服机，抽真空加热平台，浆料供应等辅助设备，可以实现催化膜电极的批量生产。

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。

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，是电池内部化学反应发生的地方。膜电极的制备方法以及结构改性一直都是各大车厂以及研究机构的研究热点。目前，丰田、本田、大众等汽车公司都先后推出了自己的燃料电池汽车，其核心部件都采用的是催化膜电极结构。相比于目前最先进的膜电极结构-有序化的纳米薄层催化剂膜电极，催化膜电极尽管Pt担量略高，但是仍然是目前最贴近实用化的电极结构。

催化膜电极，即将催化剂与Nafion树脂混合制备到质子交换膜表面形成催化层，其制备工艺包括转印法和直接喷涂法两种。转压法是将催化剂浆料首先喷涂/印刷到一种中间介质上，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，这种制备方法相对转印法工序简单，但是喷涂过程中浆料的飞溅容易造成浪费，而且所形成的催化层的三相界面仍然是无序的，容易导致催化剂利用率的降低。

因此，如何设计一种能够实现高效利用催化剂浆料、并同时实现对催化层结构进行控制的喷涂装置，对于发展催化膜型膜电极具有非常重要的意义。

相关专利

作为本发明的前期工作基础，授权号为ZL200910248483.6的专利提出了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；喷枪喷嘴处设置有控制温度梯度的伞状加热罩。

作为本发明的前期工作基础，申请号为201310090903.9的专利提出了一种燃料电池膜电极的制备方法，在喷涂浆料的过程中，通过静电发生器使浆料带上静电荷，进而提高浆料与膜之间的吸附力，改善催化层的Pt利用率，实现电极性能提高和Pt担量的降低。

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静电喷涂装置。针对已有催化膜电极自动喷涂机遇到的浆料利用率低，催化层结构无法控制的问题，将已有的静电喷涂制备催化膜技术引入到自动喷涂装置中，形成一种集成式的发明，以实现催化膜电极自动化喷涂过程的高效、可控。

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对外壳、工作台、喷枪、供料装置等进行改进；

一种制备燃料电池膜电极的静电喷涂装置，包括外壳、真空加热台、浆料搅拌供应装置、静电喷枪、静电发生器、xy轴机械装置，

所述外壳与地线连接，用于把静电荷导出，避免对操作人员的伤害。外壳顶端连接排风装置，用于将喷涂产生的有害气体排出，外壳底端设有进风口，用于向外壳中通入惰性气体保护气，避免喷涂过程中有机醇类挥发气遇到静电荷发生燃烧、爆炸的危险。

所述真空加热台，其与地线连接，将喷涂产生的静电荷导出，避免质子膜表面残存的静电荷对膜造成破坏。

所述浆料搅拌供应装置，其由料杯、搅拌器、输送泵、硅胶软管组成，其中搅拌器和输送泵外壳连接地线，搅拌器对料杯中的浆料进行高速搅拌，输送泵按照一定流量将浆料输送到喷枪的喷嘴处。

所述喷枪为静电喷枪，由静电发生器产生静电荷输送到喷枪喷嘴处，由浆料供应装置将催化剂浆料输送到喷嘴处，带有静电荷的浆料经喷嘴雾化，沉积到铺于加热平台表面的质子交换膜上，由xy轴机械装置带动喷枪按照特定的图形进行多次往复喷涂。

所述静电发生器外壳连接地线，可以调节产生静电荷的电压高低。

所述xy轴机械装置，与地线连接，并可以控制喷枪的行进速度和路线。

喷枪喷出的料液以喷嘴为圆心向周围散射，沉积到加热台的喷涂面为直径在0.5-2cm的圆形，为了达到一定的喷涂厚度和一定的喷涂面积，本发明根据配制催化剂浆料的浓度，调节喷枪喷涂流量，喷枪采用多次往复的方式实现不同面积、不同厚度膜电极的喷涂。

为了提高喷涂效率，喷涂装置内可以安设多台喷枪，全部喷枪由一台xy轴机械装置控制，共用一个真空加热台，但每个喷枪各配一套浆料供应装置和静电发生器，进行独立控制。

针对原自动喷涂机浆料利用率低、催化层结构无法控制的问题，本发明将喷枪改进为静电喷枪，喷涂时通过控制浆料所带静电荷的大小，提高浆料的吸附力，减少向周围环境的飞溅，同时在静电荷的吸附作用下，可以改进所喷涂催化层的平整度等。为了防止喷涂时产生的醇类蒸气遇到静电荷发生燃烧、爆炸危险，在外壳顶部设置排气装置和底部通入惰性气体保护气。为了防止静电对操作人员造成伤害，装置中除喷枪以外的各个部分均与地线连接。为了提高喷涂装置的效率，可以在喷涂装置内同时安设多个喷枪，并由同一个xy轴机械装置控制行进。

本发明具有如下优点：

1.本发明中的膜电极喷涂装置中，喷枪采用静电喷枪，可以对原有膜电极喷涂装置中浆料利用率低，催化层无序的问题有所缓解。

2.本发明在喷涂装置的外壳顶端设有排气装置，底端通入惰性气体保护气，以及部分部件连接地线，保证了静电喷涂法喷涂膜电极的安全性。

3.本发明中喷枪的数目可以为大于等于1台，有效利用喷涂设备内部空间，提高喷涂效率。

附图说明

图1本发明膜电极静电喷涂装置结构示意图，图中：1为外壳；2为真空加热台；3为浆料搅拌供应装置；4为静电喷枪；5为静电发生器；6为xy轴机械装置；7为排气孔；8为通惰性保护气孔；

图2由本膜电极静电喷涂装置制备的膜电极表面显微镜照片；

图3由本膜电极静电喷涂装置制备的膜电极的电池性能。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步详细说明。

该自动喷涂装置由六大部份组成：外壳、真空加热台、浆料搅拌供应装置、静电喷枪、静电发生器、xy轴机械装置。

1)第一部分是外壳，由不锈钢骨架和有机玻璃搭建而成，将其他组成部分包围在其内部，通过导线连接地面，外壳的顶端设有排气口，将喷涂产生的醇类蒸气抽出，底部设有通气口用于通入惰性气体保护气，避免喷涂产生的醇类蒸气遇到静电发生危险。

2)第二部分是真空加热台，其结构及作用与对比文件1中提及的相同，不同的是需要对其接地线，将静电喷涂产生的电荷导走。

3)第三部分是浆料搅拌供应装置，其包括料杯、磁力搅拌器、蠕动泵、硅胶管，催化剂浆料储存在料杯中，在磁力搅拌器的作用下防止沉降，蠕动泵按照一定的体积流量将浆料经由硅胶管导入喷枪喷嘴处。其中蠕动泵和磁力搅拌器均接地线。其数目与静电喷枪数目相同。

4)第四部分是静电喷枪，利用X,Y轴机械装置带动喷枪，喷枪的开启和关闭通过工控机控制，喷涂的速度和流量通过调节喷枪口径与浆料流量相匹配。通过设定喷枪行进速度、路线、往复次数来实现制备不同厚度和形状的膜电极。

5)第五部分是静电发生器，其产生静电荷的电压范围是10-100kV，利用导线将静电荷传递到催化剂浆料中。发生器外壳连接地线。

6)第六部分是xy轴机械装置，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0-20cm/s之间可调。

实施例1

如图1所示，一种制备燃料电池膜电极的静电喷涂装置，其包括外壳、真空加热台、浆料搅拌供应装置、静电喷枪、静电发生器、xy轴机械装置，在原有膜电极自动喷涂机的基础上进行改进；

所述外壳需要连接地线，顶端设有排气口，底端设有惰性气体导入口；

所述真空加热台与对比文件1相同，并在其基础上连接地线；

所述静电喷枪有两台，与之对应各设一台静电发生器和浆料搅拌供应装置，静电发生器和浆料搅拌供应装置均连接地线。

所述浆料搅拌供应装置，其包括料杯、磁力搅拌器、蠕动泵、硅胶管，其中磁疗搅拌器和蠕动泵需要连接地线。

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，或同时喷涂两个面积小于25cm×60cm(50×30cm)的电极。

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。将两张有效面积为20cm×30cm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。将调制好的催化剂料液放入料杯，硅胶管连接料液和喷嘴，开启磁力搅拌和蠕动泵，设置浆料流量为5ml/min。调节喷嘴口径，使浆料能够顺利流出(以不在喷嘴处聚集为准)，同时使浆料落在膜上的喷涂面直径约1cm。设定程序，使喷枪以间距1cm的间隔逐行扫描的方式均匀的喷涂出有效面积为20m×30cm的催化层。喷涂过程中，静电发生器提供的静电荷电压约50kV。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2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3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：喷枪和配套的静电发生器、浆料搅拌供应装置数目为1。

实施例3

与实例1不同之处在于：静电发生器产生电荷电压设为80kV。

Claims (9)

1.一种制备燃料电池膜电极的静电喷涂装置，包括外壳、真空加热台、浆料搅拌供应装置、静电喷枪、静电发生器、xy轴机械装置，其特征在于：

所述外壳为一密闭容器，外壳顶端设有引风口，利用抽气机将喷涂产生的废气排出，外壳底端设有进风口，向外壳内部通入惰性气体保护气；

真空加热台、浆料搅拌供应装置、静电喷枪、静电发生器、xy轴机械装置均置于外壳内部；

所述静电喷枪通过管路与浆料搅拌供应装置的出料口相连；静电喷枪的喷嘴通过导线与静电发生器连接；

xy轴机械装置包括两端置于支架上的横向固定杆，横向固定杆的两端与支架滑动连接，即横向固定杆可于支架上左右滑动；

于横向固定杆上设有一固定板，固定板与横向固定杆滑动连接，即固定板可于横向固定杆上前后滑动；静电喷枪与固定板固定连接；

真空加热台置于xy轴机械装置的横向固定杆和固定板下方。

2.按照权利要求1所述的静电喷涂装置，其特征在于：其浆料搅拌供应装置由料杯、搅拌器、输送泵、硅胶软管组成，搅拌器对料杯中的浆料进行高速搅拌，输送泵按照所需流量将由料杯出料口流出的浆料经硅胶软管输送到喷枪的喷嘴处。

3.按照权利要求1所述的静电喷涂装置，其特征在于：静电喷枪的数量为≥1台，所有的喷枪共用一部xy轴机械装置，即1台以上的静电喷枪固定于同一固定板上，工作时全部喷枪可以同步行进每一台喷枪与一套独立的浆料搅拌供应装置、一套独立的静电发生器相连，可以对每一台喷枪的开启和关闭进行独立或同步控制。

4.按照权利要求1所述的静电喷涂装置，其特征在于：其静电喷枪喷嘴为圆孔型，喷出的料液以喷嘴为圆心向周围散射，沉积到加热台的喷涂面为直径在0.5-2cm的圆形。

5.按照权利要求1所述的静电喷涂装置，其特征在于：所述外壳、真空加热台、浆料搅拌供应装置、静电发生器、xy轴机械装置均与地线连接。

6.按照权利要求1所述的静电喷涂装置，其特征在于：静电发生器控制喷嘴处静电的大小，浆料搅拌供应装置控制供应给喷嘴处浆料的流量，xy轴机械装置控制喷枪的进行。

7.按照权利要求1所述的静电喷涂装置，其特征在于：其静电发生器产生电荷电压范围是10-100kV，xy轴机械装置的行进速度是0-20cm/s。

8.按照权利要求1所述的静电喷涂装置，其特征在于：

xy轴机械装置还包括电机，电机分别与横向固定杆和固定板传动连接；由电机控制横向固定杆于支架上左右滑动；由电机控制固定板于横向固定杆上前后滑动。

9.按照权利要求1所述的静电喷涂装置，其特征在于：真空加热台为一带通孔的平台，通孔与真空泵相连，于平台内设有电加热元件和温度传感器，电加热元件为电加热块、电加热棒或电加热丝，电加热元件和温度传感器与温度控制器相连，温度控制器与外电源相连。