CN110694827A - 制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置，其结构是：箱体内设有X‑Y‑Z三个滑动轴，喷枪支架固定在其中的X轴上，气动喷枪组装在喷枪支架上，喷枪通过管路与空气压缩机连接。在X‑Y‑Z三个滑动轴下方的箱体内设有真空吸附加热台，真空吸附加热台通过管路与隔膜真空泵连接。经超声波震荡的催化剂墨水注入气动喷枪的进料筒内，通过设在气动喷枪尾部的开关调节催化剂墨水的流量。X‑Y‑Z三个滑动轴各自均装有位置传感器，X‑Y两轴组成气动喷枪运动的平面；Z轴用于提升或降低所述真空吸附加热台的高度。本发明采用气动式对燃料电池的膜电极进行催化剂自动喷涂，催化剂雾化效果好，并且不易出现堵塞的问题。

Description

制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置
技术领域
本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及到一种用于对燃料电池的膜电极进行自动喷涂的装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种能够将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学反应动力装置，具有功率密度高，响应快，工作温度低以及无污染等优点，被称为是21世纪最具发展潜力的能源转换装置之一，主要应用领域为运输、移动设备和固定装置。燃料电池有着广阔的应用前景，必将在能源社会的发展进程当中起到重大作用。
膜电极是PEMFC(质子交换膜燃料电池)的核心部件，是能量转换的多相物质传输的电化学反应场所，决定着PEMFC的性能、寿命以及成本。为使电化学反应顺利进行，膜电极必须具备连续的质子、电子、反应气体和水的通道。因此，膜电极必须具备较高的质子传导性及传质能力等，而这些性质与膜电极的制备方法密切相关，其中催化层的制备方法显得尤为重要。目前有三种方法来制备质子交换膜燃料电池膜电极，主要是转印法、GDL法和直接喷涂法。转印法是将催化剂墨水涂覆于转印介质上，然后再将催化层热压至质子交换膜上，这种工艺相对繁琐。GDL法在制备燃料电池膜电极时，将催化剂墨水涂覆于气体扩散层上，然后再将气体扩散电极热压到质子交换膜上形成膜电极，这种方法催化层与质子交换膜的接触不是很紧密，会增大接触电阻。直接喷涂法是将催化剂墨水直接喷涂到质子交换膜上制备成膜电极，这种制备方法简易便捷，可明显提高电极制备的效率。
喷枪一般主要用于手动，手动喷涂不仅效率低而且无法保证喷涂的均匀性。目前应用的一些静电喷涂设备不足之处在于，设备的供料管路很长，造成严重的浪费。为了安全起见要确保在良好通风环境下运行，防止不稳定粒子引起的危险情况。此外，喷嘴每次用完及时清洗还是会出现催化剂墨水堵塞、喷雾致密性降低等现象。本发明在利用静电喷涂设备基础上，结合喷枪喷雾致密性好的优点，提出一种气动式的自动喷涂装置。
发明内容
本发明的目的是，提供一种制备质子交换膜燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置，可以解决手动喷涂均匀性差和静电喷涂催化剂墨水浪费、喷头易堵等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置包括：箱体、X-Y-Z三个滑动轴、喷枪支架、真空吸附加热台、隔膜真空泵、气动喷枪、空气压缩机、电机、空气滤清器、以及位置传感器。组成结构是：箱体内设有X-Y-Z三个滑动轴，喷枪支架固定在其中的X轴上，气动喷枪组装在喷枪支架上，气动喷枪通过管路与空气压缩机连接。在X-Y-Z三个滑动轴下方的箱体内设有真空吸附加热台，真空吸附加热台通过管路与隔膜真空泵连接。经超声波震荡的催化剂墨水注入气动喷枪的进料筒内，通过设在气动喷枪尾部的开关调节催化剂墨水的流量。
作为一种创新设计，X-Y-Z三个滑动轴各自均装有位置传感器，三个滑动轴中的X-Y两轴组成所述气动喷枪运动的平面；Z轴用于提升或降低真空吸附加热台的高度。
针对原静电喷涂装置催化剂墨水向周围环境喷溅、利用率低，喷涂时产生的醇类蒸汽遇到静电荷易发生燃烧、爆炸危险，针头易堵，喷雾雾化效果不好等问题，用气动喷枪作为静电喷涂的喷头。喷涂时空气压缩机提供稳定的气压，对催化剂墨水进行雾化，并通过程序进行自动喷涂，改进喷涂催化层的平整度和一致性，提高喷涂效率和催化剂利用率，增强安全性。
本发明的特点及产生的有益效果是：(1)能够对燃料电池膜电极的制备实现催化剂自动喷涂。(2)采用气动式喷涂，催化剂墨水雾化效果好，喷涂效率高均匀性更好，并且不易出现堵塞的问题。(3)装置整体紧凑合理，相比于静电喷涂装置，结构简单而且安全性更高。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意简图。
图2是气动喷枪的结构示意图。
图3是利用本发明装置制备的膜电极喷涂后电池性能效果对比曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的结构与原理作进一步的说明。
制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置，其结构特征是：箱体1内设有X-Y-Z三个滑动轴2，喷枪支架3固定在其中的X轴上，气动喷枪6组装在喷枪支架上，气动喷枪通过管路与空气压缩机7连接。在X-Y-Z三个滑动轴下方的箱体内设有真空吸附加热台4，真空吸附加热台通过管路与隔膜真空泵5连接。经超声波震荡的催化剂墨水注入气动喷枪的进料筒8内，通过设在气动喷枪尾部的开关9调节催化剂墨水的流量。
X-Y-Z三个滑动轴各自均装有位置传感器，X-Y-Z三个滑动轴中的X-Y两轴组成气动喷枪运动的平面；Z轴用于提升或降低真空吸附加热台的高度。X-Y两轴依靠电机驱动皮带在箱体内移动。
真空吸附加热台的台面设有通孔，加热台的温度范围可以调控。
气动喷枪移动的轨迹和速度通过编写程序控制。
气动喷枪与空气压缩机的管路上接有空气滤清器，空气滤清器可以调节气压大小并使通入气动喷枪的气压为一个定值。
制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置由七个部分组成：
第一部分箱体，采用桌面型设计，结构紧凑，整合了X-Y-Z三轴机械装置、喷枪支架、气动喷枪、以及真空吸附加热台，整个装置的尺寸仅相当于一台普通打印机。箱体外侧有SD卡槽，将装有G码的SD卡插入卡槽中就可以运行SD卡中的程序。
第二部分X-Y-Z三轴机械装置，分别装有3个位置传感器以确定三轴机械装置的定位及工作。X-Y轴分别由两个电机驱动，通过设定程序以实现气动喷枪在X和Y轴组成的平面移动，实现例如2.5×2.5mm，5×5mm，10×10mm等不同尺寸膜电极的喷涂，最大喷涂面积可达250×150mm，运动速度最高可为9m/min，并且可实时调整走行速度。
第三部分喷枪支架，一边是固定旋钮，通过螺纹固定在气动喷头上，另外一边是笔架托，用来固定喷枪，喷枪可以随时安装或取下，便于清洗维护。
第四部分真空吸附加热台，加热控温范围从室温～110℃，并设有温度保护，防止过度升温。真空吸盘的材质为铝合金，其尺寸为280×180mm，通过设定程序可以调节其在Z轴的高度，从而调节喷涂区域与喷枪之间的距离。使喷枪与质子交换膜保持一个合适的距离，喷枪雾化效果达到最佳状态。
第五部分隔膜真空泵，供电电源220V，50Hz，额定功率160W，抽气速度20L/min，极限压力≥0.08Mpa。
第六部分气动喷枪，利用X-Y轴机械装置带动喷枪支架和喷枪，喷枪一直保持开启状态。如果空气压缩机不启动，催化剂墨水不会自行喷出。将空气压缩机与喷枪间管路上的开关作为喷涂装置的总开关。喷枪的流量通过喷枪尾部开关的旋钮进行流量调节。
第七部分空气压缩机，转速1380r/min，容积流量40L/min，额定排气压力0.7Mpa，匹配功率550W。空气压缩机产生0.4Mpa～0.6Mpa的气压，气压将喷枪中的催化剂墨水形成喷雾喷涂到质子交换膜上。在喷枪和空气压缩机之间的管路中装有空气滤清器，作用是保持进入喷枪的气压是一个定值，一般将气压值设置在0.4Mpa。
制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置的具体方法：
a)在真空吸附加热台上铺放垫片和燃料电池的质子交换膜，打开隔膜真空泵抽真空，调节真空吸附加热台的温度为70℃。
b)用涨紧装置将气动喷枪扳手锁紧，使气动喷枪始终处于打开状态，然后将喷枪固定在喷枪支架上，并与空气压缩机连接。
c)将事先配好的催化剂墨水经超声震荡后注入喷枪储料桶内，调节喷枪尾部开关旋钮进行流量调节。
d)打开空气压缩机。
e)待真空吸附加热台温度达到设定温度以后，空气压缩机压力也达到设定的气压后，按照编写好的程序启动运行。
f)打开气动喷枪和空气压缩机间的开关，气动喷枪将按程序编写的路径自动喷涂。
e)单面喷涂结束称量增重后，继续喷涂另一面，完成膜电极喷涂制备工作。
附图3给出了本装置喷涂质量的实施效果，可以看出质量明显优于手动喷涂。

Claims (6)

1.制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置，包括箱体、X-Y-Z三个滑动轴、喷枪支架、真空吸附加热台、隔膜真空泵、气动喷枪、空气压缩机、电机、空气滤清器、以及位置传感器，其特征在于：箱体(1)内设有X-Y-Z三个滑动轴(2)，喷枪支架(3)固定在其中的X轴上，气动喷枪(6)组装在喷枪支架上，气动喷枪通过管路与空气压缩机(7)连接，在X-Y-Z三个滑动轴下方的箱体内设有真空吸附加热台(4)，真空吸附加热台通过管路与隔膜真空泵(5)连接，经超声波震荡的催化剂墨水注入气动喷枪的进料筒(8)内，通过设在气动喷枪尾部的开关(9)调节催化剂墨水的流量。
2.按照权利要求1所述制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置，其特征在于：所述X-Y-Z三个滑动轴各自均装有位置传感器，X-Y-Z三个滑动轴中的X-Y两轴组成所述气动喷枪运动的平面；Z轴用于提升或降低所述真空吸附加热台的高度。
3.按照权利要求1所述制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置，其特征在于：所述X-Y两轴依靠电机驱动皮带在所述箱体内移动。
4.按照权利要求1所述制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置，其特征在于：所述真空吸附加热台的台面设有通孔，加热台的温度范围可以调控。
5.按照权利要求1所述制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置，其特征在于：所述气动喷枪移动的轨迹和速度通过编写程序控制。
6.按照权利要求1所述制备燃料电池膜电极的气动式自动喷涂装置，其特征在于：在所述气动喷枪与空气压缩机的管路上接有空气滤清器，空气滤清器可以调节气压大小并使通入气动喷枪的气压为一个定值。
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