CN108796540B - 臭氧发生器用膜电极组件的生产设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及臭氧制备技术领域，具体涉及一种用于臭氧发生器的膜电极组件的生产设备及其使用方法。该生产设备包括依次设置的喂入辊对、浸料装置、催化剂加料装置、第一挤压成型装置、热处理装置、纤维加料装置、第二挤压成型装置和卷绕装置。采用该设备能够制备大面积大幅宽的膜电极组件，其制得的膜电极组件，从结构上和制备工艺上进行改进，显著提高了臭氧产生速率，降低了使用成本，延长了使用寿命，经济效益显著。

Description

臭氧发生器用膜电极组件的生产设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及臭氧制备技术领域，具体涉及一种用于臭氧发生器的膜电极组件的生产设备及其使用方法。

背景技术

臭氧（O₃）作为一种强氧化剂，因其氧化能力强，具有较强的杀菌消毒效果，杀菌消毒后产生氧气，不会产生二次污染，因此在环境保护等领域越来越受到重视。目前，臭氧已经广泛应用到饮用水处理、医疗用水处理、城市污水处理、食品消毒杀菌、空气净化等各个方面。然而，由于臭氧容易自分解，不易储存，因此在采用臭氧时，普遍是现制现用。目前，人工产生臭氧的方法主要包括紫外线照射法、放射化学法、介质阻挡放电法以及低压电解法等。在这些生产方法中，放射化学法需要利用放射源，成本高，且安全性差。紫外线照射法是利用紫外线照射干燥的氧气，将一部分氧分子离解成氧原子，然后氧原子再同氧分子发生反应而形成臭氧。然而，紫外线照射法能耗高、且产生的臭氧浓度较低，不利于大规模生产臭氧，更何况臭氧在使用时往往需要达到一定的浓度才具有较好的消毒杀菌效果。介质阻挡放电法是通过交变高压电场产生电晕，电晕区中有自由高能电子，当氧气体通过电晕放电区时氧气分子会在高速电子流的轰击下被离解成氧原子，然后氧原子再与氧气分子经碰撞而形成臭氧分子。然而，在采用介质阻挡放电法制备臭氧时，若选择原料为空气，则会产生对人体有害的氮氧化物，污染环境，且制得的臭氧浓度也较低。若选择为纯氧气，则会大大提高生产成本，不利于推广使用。而低压电解法制备臭氧，是利用直流电源电解含氧电解质。其中，低压电解水能够获得较高的臭氧浓度，且不会产生氮氧化物等有害物质。同时，所采用的直流电源的电压可以低至3-5伏，安全实用，便于推广。

目前，低压电解水制备臭氧的方法中，主要是采用离子交换膜与阴、阳极催化剂膜片形成膜电极组件，利用该膜电极组件电解水而产生臭氧。在现有技术中，制备膜电极组件中的阴、阳极催化剂膜片时，常用的方法是粘结法、离子交换法和电化学沉积法。

粘结法就是将混有粘结剂的阴阳极催化颗粒在外加机械力的情况下，粘结到离子交换膜上。离子交换法是在离子交换膜的两侧沉积一层电极催化剂颗粒，但这种方法交换得到的颗粒比较粗大，且电极催化剂的析出量不容易控制。电化学沉积法是采用电化学还原的方法将金属盐溶液电还原沉积到膜表面，但这种方法成本较高，使用的设备昂贵。此外，这些方法具有催化剂在离子交换膜上的牢度不够、比表面积较小，不利于提高臭氧的产生速率。

此外，现有技术中制备膜电极组件的工艺复杂，零部件较多，需要螺栓等装配，效率低。同时，采用螺栓等装配时，由于螺栓常用铁制成，而臭氧具有强氧化性，会对螺栓产生一定的腐蚀作用。因此，如何简化膜电极组件的生产工艺、提高阳极催化膜和阴极催化剂膜与离子交换膜的接触牢度、提高臭氧的发生速率、提高生产效率，是本领域技术人员亟需解决的一大问题。此外，目前生产膜电极组件，均是小批量小型化生产，不能大规模地批量生产，这也制约了行业发展。同时，多数臭氧发生器是小型化的装置，当需要较多臭氧时，往往通过并联多个小型化的臭氧发生器模块而实现。目前市面上生产的膜电极组件较小，不能直接用于大型的臭氧发生器中。因此，如何简单方便地生产大面积大幅宽的膜电极组件，也是本领域技术人员需要考虑的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于臭氧发生器的膜电极组件的生产设备及其使用方法。采用该设备制得的膜电极组件，能够提高催化剂的牢度，增大膜的比表面积，提高臭氧产生效率并减少了螺栓等零部件的使用，降低了成本，提高了膜电极组件的使用寿命。同时，该设备能制得具有较大面积和幅宽的膜电极组件，能够满足大型臭氧发生器的使用需求。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种臭氧发生器用膜电极组件的生产设备，包括依次设置的喂入辊对、浸料装置、催化剂加料装置、第一挤压成型装置、热处理装置、纤维加料装置、第二挤压成型装置和卷绕装置；浸料装置包括导向辊、浸料辊、第一引导辊对和浸料池；催化剂加料装置包括依次设置的第一喷洒装置、第二引导辊对和第二喷洒装置；第一挤压成型装置由多个挤压辊对组成，包括依次设置的第一挤压辊对、第二挤压辊对、第三挤压辊对、第四挤压辊对、第五挤压辊对和第六挤压辊对；第一喷洒装置位于第一引导辊对和第二引导辊对连线的中部上方；第二喷洒装置位于第二引导辊对与第一挤压辊对连线的中部下方；纤维加料装置包括依次设置的第一加料装置、第七挤压辊对、换向辊、第八挤压辊对和第二加料装置。

优选地，第二挤压成型装置为第九挤压辊对。当然，第二挤压成型装置也可以是多个挤压辊对。

优选地，导向辊和第一引导辊对分别位于浸料池的两侧边缘上方，浸料辊位于导向辊和第一引导辊对之间，且位于浸料池内部；第一引导辊对的两个引导辊之间存在一定间距，且上引导辊为光面辊，下引导辊的表面带有细小弧状突起；第二引导辊对的两个引导辊之间存在一定间距，且上引导辊为光面辊，下引导辊的表面带有细小弧状突起。这样设置，有利于控制引导辊之间的间距，且能使全氟磺酸离子交换膜在经过浸料装置后，在其上下表面均保留一定厚度的聚四氟乙烯乳液。下引导辊的表面设置细小弧状突起，能够在顺利引导全氟磺酸离子交换膜的同时还能在全氟磺酸离子交换膜的下表面保留一定厚度的聚四氟乙烯乳液。

第一喷洒装置位于第一引导辊对和第二引导辊对连线的中部上方，第二喷洒装置位于第二引导辊对与第一挤压辊对连线的中部下方。这样设置能够在全氟磺酸离子交换膜的表面沾有聚四氟乙烯乳液后，分别对其上下表面喷洒阳极催化剂粉末和阴极催化剂粉末，之后再在第一挤压成型装置的作用下，固定阳极催化剂和阴极催化剂。

优选地，第三挤压辊对和第四挤压辊对为热辊，第五挤压辊对和第六挤压辊对为冷辊。第一挤压辊对和第二挤压辊对上设置有加热部件和温度控制装置，使其温度可以根据实际需要进行调整。这样设置，能够使经过第一挤压辊对和第二挤压辊对初步挤压后的全氟磺酸离子交换膜，受到热辊的挤压，由此能够去除部分配制聚四氟乙烯乳液时采用的溶剂，之后再由冷辊挤压，这有利于在全氟磺酸离子交换膜表面固定阳极催化剂和阴极催化剂。

第一加料装置用于加入含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维；第二加料装置用于加入含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维。同时，在纤维加料装置和第六挤压辊对之间设置有热处理装置，这样设置能够使经过第一挤压成型装置挤压后的全氟磺酸离子交换膜表面的聚四氟乙烯软化，便于后续加入的阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维以及含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维能够在挤压辊对的作用下，顺利地与全氟磺酸离子交换膜表面的聚四氟乙烯粘合在一起。之所以后续加入含有催化剂的聚四氟乙烯纤维，这是为了增大膜电极组件的比表面积，加快反应速率和效率，同时也进一步提高了催化剂在全氟磺酸离子交换膜表面的牢度，使其在使用过程中不易脱落。

第一挤压辊对、第二挤压辊对、第三挤压辊对、第四挤压辊对、第五挤压辊对和第六挤压辊对可以设置在同一水平面上，也可以位于不同的水平面。

在本发明中，所有的辊和卷绕装置的表面线速度均相同，以使全氟磺酸离子交换膜不会拉伸变长。

采用上述设备生产膜电极组件的方法，包括如下步骤：

步骤（1）原料准备：配制聚四氟乙烯乳液，加入到浸料池中，并使聚四氟乙烯乳液淹没浸料辊；选择阳极催化剂粉末和阴极催化剂粉末，通过筛网筛选，得到颗粒均匀的阳极催化剂粉末和阴极催化剂粉末，并分别加入到第一喷洒装置和第二喷洒装置中；制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第一加料装置中，备用；制备含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第二加料装置中，备用；

步骤（2）浸料：全氟磺酸离子交换膜通过喂入辊对喂入到浸料装置，并依次经过导向辊、浸料辊和第一引导辊对；全氟磺酸离子交换膜在浸料池中经过而使全氟磺酸离子交换膜的上下表面沾有聚四氟乙烯乳液；

步骤（3）喷洒催化剂：通过第一喷洒装置均匀地向全氟磺酸离子交换膜的上表面喷洒阳极催化剂；之后再通过第二喷洒装置均匀地向全氟磺酸离子交换膜的下表面喷洒阴极催化剂；阳极催化剂和阴极催化剂粘附在聚四氟乙烯乳液上；

步骤（4）挤压成型：将步骤（3）得到的粘附有阳极催化剂和阴极催化剂的全氟磺酸离子交换膜通过第一挤压成型装置的多个挤压辊对，进行多次挤压，得到预定厚度的半成品；

步骤（5）热处理：将步骤（4）得到的半成品进行热处理，使半成品表面的聚四氟乙烯软化；

步骤（6）纤维加入：利用第一加料装置在半成品的上表面上均匀铺上一层含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维，之后通过第七挤压辊对的挤压作用，使含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维初步固定在半成品的上表面；然后通过换向辊换向，使半成品的上表面朝下，下表面朝上；然后在通过第八挤压辊对后，对未添加含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维的半成品的另一面，利用第二加料装置均匀铺上一层含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维；

步骤（7）再次挤压成型：利用第二挤压成型装置对步骤（6）得到的产品进行再次挤压成型，使含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维均牢固地固定，得到膜电极组件；

步骤（8）成卷：利用卷绕装置将步骤（7）制得的膜电极组件成卷。

优选地，生产设备还包括分切装置，该方法还包括步骤（9）分切步骤，利用分切机将制得的膜电极组件进行分切，制得符合要求尺寸的膜电极组件。

优选地，第一加料装置和第二加料装置均选择为静电纺丝装置，通过静电纺丝装置分别制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维，直接接收在半成品的两侧表面。通过静电纺丝装置制备的纤维，能够得到更细的纤维直径，有利于提高最终成品的比表面积，从而提高臭氧生成效率。当然，在采用静电纺丝装置生产纤维时，需适应性地设置一些部件，如接收极板、高压静电发生器等，这些采用现有技术，不作赘述，此处的关键在于根据本发明的具体需要，在合适的位置设置合适的静电纺丝装置，从而提高最终成品的性能。当然，当选择静电纺丝装置制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维时，在方法的步骤（1）原料准备时，将制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第一加料装置中，备用，以及制备含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第二加料装置中，备用，替换为分别准备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纺丝液以及含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纺丝液，备用。进一步地，在全氟磺酸离子交换膜经过第一加料装置之前，还可以进行等离子处理，使半成品的表面产生凹坑，以利于静电纺丝时纤维的附着；或者第六挤压辊对的表面具有细小弧状凸起，由此也能使半成品的表面产生细小凹坑，利于静电纺丝时纤维的附着。

优选地，在制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维以及制备含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维时，加有成孔剂，以使含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维表面及内部有孔或凹坑，这能够增大比表面积，使得后续生产臭氧时反应速率得以提高。

优选地，阳极催化剂选自二氧化铅、纳米掺锑二氧化锡、硼掺杂金刚石、铂中的一种或多种；阴极催化剂选自铂、镍、镍钴铁合金中的一种或多种。

优选地，该方法中使用的全氟磺酸离子交换膜的宽度在2-150cm，更优选为10-100cm，进一步优选为50-80cm。采用较宽的全氟磺酸离子交换膜，并配套使用合适宽度的喂入辊、挤压辊等，能够大批量高效率地生产膜电极组件，同时也为大型臭氧发生器提供配件支撑。当然，全氟磺酸离子交换膜的宽度也可以在考虑具体实际需要、生产加工难度以及经济效益等因素后而选择得更大，在此不做限定。

优选地，在第一喷洒装置中还加入石墨烯，使其与阳极催化剂同时喷洒在浸渍聚四氟乙烯乳液后的全氟磺酸离子交换膜的一面上。石墨烯的比表面积很高，具有非常好的导热性和导电性，石墨烯也能够担载阳极催化剂纳米颗粒，可明显降低催化反应的超电势，有利于催化反应的进行。同时，石墨烯还具有较好的韧性，这有利于提高膜的韧性和强力。由于石墨烯与阳极催化剂纳米颗粒的协同作用，提高了臭氧生成速率。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种臭氧发生器用膜电极组件的生产设备，该生产设备制得的膜电极组件是一体成型的，能够减少装配成本，也能够提高催化剂的牢度，增大膜的比表面积，提高臭氧产生效率并减少了螺栓等零部件的使用，降低了成本，提高了膜电极组件的使用寿命。同时，该设备能制得具有较大面积和幅宽的膜电极组件，能够满足大型臭氧发生器的使用需求。

在采用本发明方法制备膜电极组件时，通过第一喷洒装置和第二喷洒装置，能够使得在靠近全氟磺酸离子交换膜的两侧分别具有较高浓度的阳极催化剂和阴极催化剂；而采用第一加料装置和第二加料装置在半成品后加入的聚四氟乙烯纤维，由于受限于聚四氟乙烯成纤的难度，而使得聚四氟乙烯纤维中的阳极催化剂和阴极催化剂的含量不会太高。由此，使用该方法制得的膜电极组件，在靠近全氟磺酸离子交换膜的两侧具有较高的催化剂浓度，而在最外面的两侧具有相对较低的催化剂浓度，如此能够充分利用催化剂，并且在最外面的纤维的保护下，使高催化剂浓度区域的催化剂牢固地固定，在使用过程中不易脱落。

附图说明

图1为本发明臭氧发生器用膜电极组件的生产设备的结构示意图。

附图标记：1、喂入辊对；2、导向辊；3、浸料辊；4、第一引导辊对；5、浸料池；6、第一喷洒装置；7、第二引导辊对；8、第二喷洒装置；9、第一挤压辊对；10、第二挤压辊对；11、第三挤压辊对；12、第四挤压辊对；13、第五挤压辊对；14、第六挤压辊对；15、热处理装置；16、第一加料装置；17、第七挤压辊对；18、换向辊；19、第八挤压辊对；20、第二加料装置；21、第九挤压辊对；22、卷绕装置。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图1对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种臭氧发生器用膜电极组件的生产设备，包括依次设置的喂入辊对1、浸料装置、催化剂加料装置、第一挤压成型装置、热处理装置15、纤维加料装置、第二挤压成型装置和卷绕装置22；浸料装置包括导向辊2、浸料辊3、第一引导辊对4和浸料池5；催化剂加料装置包括依次设置的第一喷洒装置6、第二引导辊对7和第二喷洒装置8；第一挤压成型装置由多个挤压辊对组成，包括依次设置的第一挤压辊对9、第二挤压辊对10、第三挤压辊对11、第四挤压辊对12、第五挤压辊对13和第六挤压辊对14；第一喷洒装置6位于第一引导辊对4和第二引导辊对7连线的中部上方；第二喷洒装置8位于第二引导辊对7与第一挤压辊对9连线的中部下方；纤维加料装置包括依次设置的第一加料装置16、第七挤压辊对17、换向辊18、第八挤压辊对19和第二加料装置20。

优选地，第二挤压成型装置为第九挤压辊对21。当然，第二挤压成型装置也可以是多个挤压辊对。

优选地，导向辊2和第一引导辊对4分别位于浸料池5的两侧边缘上方，浸料辊3位于导向辊2和第一引导辊对4之间，且位于浸料池5内部；第一引导辊对4的两个引导辊之间存在一定间距，且上引导辊为光面辊，下引导辊的表面带有细小弧状突起；第二引导辊对7的两个引导辊之间存在一定间距，且上引导辊为光面辊，下引导辊的表面带有细小弧状突起。这样设置，有利于控制引导辊之间的间距，且能使全氟磺酸离子交换膜在经过浸料装置后，在其上下表面均保留一定厚度的聚四氟乙烯乳液。下引导辊的表面设置细小弧状突起，能够在顺利引导全氟磺酸离子交换膜的同时还能在全氟磺酸离子交换膜的下表面保留一定厚度的聚四氟乙烯乳液。

第一喷洒装置6位于第一引导辊对4和第二引导辊对7连线的中部上方，第二喷洒装置8位于第二引导辊对7与第一挤压辊对9连线的中部下方。这样设置能够在全氟磺酸离子交换膜的表面沾有聚四氟乙烯乳液后，分别对其上下表面喷洒阳极催化剂粉末和阴极催化剂粉末，之后再在第一挤压成型装置的作用下，固定阳极催化剂和阴极催化剂。

优选地，第三挤压辊对11和第四挤压辊对12为热辊，第五挤压辊对13和第六挤压辊对14为冷辊。第一挤压辊对和第二挤压辊对上设置有加热部件和温度控制装置，使其温度可以根据实际需要进行调整。这样设置，能够使经过第一挤压辊对9和第二挤压辊对10初步挤压后的全氟磺酸离子交换膜，受到热辊的挤压，由此能够去除部分配制聚四氟乙烯乳液时采用的溶剂，之后再由冷辊挤压，这有利于在全氟磺酸离子交换膜表面固定阳极催化剂和阴极催化剂。

第一加料装置16用于加入含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维；第二加料装置20用于加入含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维。同时，在纤维加料装置和第六挤压辊对14之间设置有热处理装置15，这样设置能够使经过第一挤压成型装置挤压后的全氟磺酸离子交换膜表面的聚四氟乙烯软化，便于后续加入的阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维以及含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维能够在挤压辊对的作用下，顺利地与全氟磺酸离子交换膜表面的聚四氟乙烯粘合在一起。之所以后续加入含有催化剂的聚四氟乙烯纤维，这是为了增大膜电极组件的比表面积，加快反应速率和效率，同时也进一步提高了催化剂在全氟磺酸离子交换膜表面的牢度，使其在使用过程中不易脱落。

第一挤压辊对9、第二挤压辊对10、第三挤压辊对11、第四挤压辊对12、第五挤压辊对13和第六挤压辊对14可以设置在同一水平面上，也可以位于不同的水平面。

在本发明中，所有的辊和卷绕装置22的表面线速度均相同，以使全氟磺酸离子交换膜不会拉伸变长。

采用上述设备生产膜电极组件的方法，包括如下步骤：

步骤（1）原料准备：配制聚四氟乙烯乳液，加入到浸料池5中，并使聚四氟乙烯乳液淹没浸料辊3；选择阳极催化剂粉末和阴极催化剂粉末，通过筛网筛选，得到颗粒均匀的阳极催化剂粉末和阴极催化剂粉末，并分别加入到第一喷洒装置6和第二喷洒装置8中；制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第一加料装置16中，备用；制备含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第二加料装置20中，备用；

步骤（2）浸料：全氟磺酸离子交换膜通过喂入辊对1喂入到浸料装置，并依次经过导向辊2、浸料辊3和第一引导辊对4；全氟磺酸离子交换膜在浸料池5中经过而使全氟磺酸离子交换膜的上下表面沾有聚四氟乙烯乳液；

步骤（3）喷洒催化剂：通过第一喷洒装置6均匀地向全氟磺酸离子交换膜的上表面喷洒阳极催化剂；之后再通过第二喷洒装置8均匀地向全氟磺酸离子交换膜的下表面喷洒阴极催化剂；阳极催化剂和阴极催化剂粘附在聚四氟乙烯乳液上；

步骤（4）挤压成型：将步骤（3）得到的粘附有阳极催化剂和阴极催化剂的全氟磺酸离子交换膜通过第一挤压成型装置的多个挤压辊对，进行多次挤压，得到预定厚度的半成品；

步骤（5）热处理：将步骤（4）得到的半成品进行热处理，使半成品表面的聚四氟乙烯软化；

步骤（6）纤维加入：利用第一加料装置16在半成品的上表面上均匀铺上一层含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维，之后通过第七挤压辊对17的挤压作用，使含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维初步固定在半成品的上表面；然后通过换向辊18换向，使半成品的上表面朝下，下表面朝上；然后在通过第八挤压辊对19后，对未添加含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维的半成品的另一面，利用第二加料装置20均匀铺上一层含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维；

步骤（7）再次挤压成型：利用第二挤压成型装置对步骤（6）得到的产品进行再次挤压成型，使含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维均牢固地固定，得到膜电极组件；

步骤（8）成卷：利用卷绕装置22将步骤（7）制得的膜电极组件成卷。

优选地，生产设备还包括分切装置，该方法还包括步骤（9）分切步骤，利用分切机将制得的膜电极组件进行分切，制得符合要求尺寸的膜电极组件。

优选地，第一加料装置16和第二加料装置20均选择为静电纺丝装置，通过静电纺丝装置分别制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维，直接接收在半成品的两侧表面。通过静电纺丝装置制备的纤维，能够得到更细的纤维直径，有利于提高最终成品的比表面积，从而提高臭氧生成效率。当然，在采用静电纺丝装置生产纤维时，需适应性地设置一些部件，如接收极板、高压静电发生器等，这些采用现有技术，不作赘述，此处的关键在于根据本发明的具体需要，在合适的位置设置合适的静电纺丝装置，从而提高最终成品的性能。当然，当选择静电纺丝装置制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维时，在方法的步骤（1）原料准备时，将制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第一加料装置16中，备用，以及制备含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第二加料装置20中，备用，替换为分别准备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纺丝液以及含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纺丝液，备用。进一步地，在全氟磺酸离子交换膜经过第一加料装置16之前，还可以进行等离子处理，使半成品的表面产生凹坑，以利于静电纺丝时纤维的附着；或者第六挤压辊对14的表面具有细小弧状凸起，由此也能使半成品的表面产生细小凹坑，利于静电纺丝时纤维的附着。

优选地，在制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维以及制备含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维时，加有成孔剂，以使含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维表面及内部有孔或凹坑，这能够增大比表面积，使得后续生产臭氧时反应速率得以提高。

优选地，阳极催化剂选自二氧化铅、纳米掺锑二氧化锡、硼掺杂金刚石、铂中的一种或多种；阴极催化剂选自铂、镍、镍钴铁合金中的一种或多种。

优选地，该方法中使用的全氟磺酸离子交换膜的宽度在2-150cm，更优选为10-100cm，进一步优选为50-80cm。采用较宽的全氟磺酸离子交换膜，并配套使用合适宽度的喂入辊、挤压辊等，能够大批量高效率地生产膜电极组件，同时也为大型臭氧发生器提供配件支撑。当然，全氟磺酸离子交换膜的宽度也可以在考虑具体实际需要、生产加工难度以及经济效益等因素后而选择得更大，在此不做限定。

优选地，在第一喷洒装置6中还加入石墨烯，使其与阳极催化剂同时喷洒在浸渍聚四氟乙烯乳液后的全氟磺酸离子交换膜的一面上。石墨烯的比表面积很高，具有非常好的导热性和导电性，石墨烯也能够担载阳极催化剂纳米颗粒，可明显降低催化反应的超电势，有利于催化反应的进行。同时，石墨烯还具有较好的韧性，这有利于提高膜的韧性和强力。由于石墨烯与阳极催化剂纳米颗粒的协同作用，提高了臭氧生成速率。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种采用臭氧发生器用膜电极组件的生产设备生产膜电极组件的方法，其特征在于：采用的臭氧发生器用膜电极组件的生产设备，包括依次设置的喂入辊对、浸料装置、催化剂加料装置、第一挤压成型装置、热处理装置、纤维加料装置、第二挤压成型装置和卷绕装置；所述浸料装置包括导向辊、浸料辊、第一引导辊对和浸料池；所述催化剂加料装置包括依次设置的第一喷洒装置、第二引导辊对和第二喷洒装置；所述第一挤压成型装置由多个挤压辊对组成，包括依次设置的第一挤压辊对、第二挤压辊对、第三挤压辊对、第四挤压辊对、第五挤压辊对和第六挤压辊对；所述第一喷洒装置位于第一引导辊对和第二引导辊对连线的中部上方；所述第二喷洒装置位于第二引导辊对与第一挤压辊对连线的中部下方；所述纤维加料装置包括依次设置的第一加料装置、第七挤压辊对、换向辊、第八挤压辊对和第二加料装置；所述导向辊和第一引导辊对分别位于浸料池的两侧边缘上方，所述浸料辊位于导向辊和第一引导辊对之间，且位于浸料池内部；所述第一引导辊对的两个引导辊之间存在一定间距，且上引导辊为光面辊，下引导辊的表面带有细小弧状突起；所述第二引导辊对的两个引导辊之间存在一定间距，且上引导辊为光面辊，下引导辊的表面带有细小弧状突起；所述第三挤压辊对和第四挤压辊对为热辊，所述第五挤压辊对和第六挤压辊对为冷辊；所述第一挤压辊对和第二挤压辊对上设置有加热部件和温度控制装置；

该方法包括如下步骤：

步骤（1）原料准备：配制聚四氟乙烯乳液，加入到浸料池中，并使聚四氟乙烯乳液淹没浸料辊；选择阳极催化剂粉末和阴极催化剂粉末，通过筛网筛选，得到颗粒均匀的阳极催化剂粉末和阴极催化剂粉末，并分别加入到第一喷洒装置和第二喷洒装置中；制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第一加料装置中，备用；制备含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维，加入到第二加料装置中，备用；

步骤（2）浸料：全氟磺酸离子交换膜通过喂入辊对喂入到浸料装置，并依次经过导向辊、浸料辊和第一引导辊对；全氟磺酸离子交换膜在浸料池中经过而使全氟磺酸离子交换膜的上下表面沾有聚四氟乙烯乳液；

步骤（3）喷洒催化剂：通过第一喷洒装置均匀地向全氟磺酸离子交换膜的上表面喷洒阳极催化剂；之后再通过第二喷洒装置均匀地向全氟磺酸离子交换膜的下表面喷洒阴极催化剂；阳极催化剂和阴极催化剂粘附在聚四氟乙烯乳液上；

步骤（4）挤压成型：将步骤（3）得到的粘附有阳极催化剂和阴极催化剂的全氟磺酸离子交换膜通过第一挤压成型装置的多个挤压辊对，进行多次挤压，得到预定厚度的半成品；

步骤（5）热处理：将步骤（4）得到的半成品进行热处理，使半成品表面的聚四氟乙烯软化；

步骤（6）纤维加入：利用第一加料装置在半成品的上表面上均匀铺上一层含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维，之后通过第七挤压辊对的挤压作用，使含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维初步固定在半成品的上表面；然后通过换向辊换向，使半成品的上表面朝下，下表面朝上；然后在通过第八挤压辊对后，对未添加含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维的半成品的另一面，利用第二加料装置均匀铺上一层含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维；

步骤（7）再次挤压成型：利用第二挤压成型装置对步骤（6）得到的产品进行再次挤压成型，使含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维均牢固地固定，得到膜电极组件；

步骤（8）成卷：利用卷绕装置将步骤（7）制得的膜电极组件成卷。

2.如权利要求1所述的生产膜电极组件的方法，其特征在于：在全氟磺酸离子交换膜经过第一加料装置之前，进行等离子处理，使半成品的表面产生凹坑。

3.如权利要求1所述的生产膜电极组件的方法，其特征在于：在制备含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维以及制备含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维时，加有成孔剂，以使含有阳极催化剂的聚四氟乙烯纤维和含有阴极催化剂的聚四氟乙烯纤维表面及内部有孔或凹坑。

4.如权利要求1所述的生产膜电极组件的方法，其特征在于：阳极催化剂选自二氧化铅、纳米掺锑二氧化锡、硼掺杂金刚石、铂中的一种或多种；阴极催化剂选自铂、镍、镍钴铁合金中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的生产膜电极组件的方法，其特征在于：该方法中使用的全氟磺酸离子交换膜的宽度在2-150cm。

6.如权利要求5所述的生产膜电极组件的方法，其特征在于：该方法中使用的全氟磺酸离子交换膜的宽度在10-100cm。

7.如权利要求6所述的生产膜电极组件的方法，其特征在于：该方法中使用的全氟磺酸离子交换膜的宽度在50-80cm。

8.如权利要求1-7任一项所述的生产膜电极组件的方法制备得到的膜电极组件。

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