CN111672715A - 一种燃料电池膜电极涂布上料装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池膜电极涂布上料装置，包括浆料罐、浆料槽、低温恒温槽，低温恒温槽中注入有制冷剂，浆料罐置于低温恒温槽中，浆料罐中注入有浆料，浆料罐内浆料底部插入有取浆料管，取浆料管另一端连接浆料泵，浆料泵的输出端通过管道连接浆料槽，浆料泵与浆料槽之间的管道上依次设置有浆料管路开关阀、浆料流量调节阀、浆料测温计，涂布辊的下部浸入于浆料池的浆料中，并通过转动将浆料带起，涂布辊外表面分布有若干孔穴，填充在涂布辊孔穴中的浆料被转移至涂布辊上方的离型背膜上；本发明能够解决膜电极间接涂布制备CCM过程中，涂布料槽内料液温度受环境影响问题，避免浆料受热升温，粘度降低、易出现气泡，涂布不均匀问题。

Description

一种燃料电池膜电极涂布上料装置与方法
[技术领域]
本发明属于氢能技术领域，具体地说是一种燃料电池膜电极涂布上料装置与方法。
[背景技术]
氢燃料电池是一种催化H2、O2将化学能转化成电的能量转化装置，具有高效、环保特点。随着全球能源日益紧张和环保要求不断提高，氢燃料电池应用需求增大。氢燃料电池核心组件膜电极是提供燃料电池电化学反应区域，由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成，催化剂粘接附着在质子膜上。
在制备膜电极过程中，需将催化剂制备在质子交换膜上形成CCM(catalyst-coated membrane,简称CCM)。膜电极CCM制备工艺可概括为两类，一是狭缝挤压直涂法，将催化剂直接涂布在质子膜两侧表面。二是间接涂布加转印：先将含有催化剂的浆料涂布在离型背膜上，待离型背膜上溶剂挥发，浆料干燥后，再把催化剂热压转印到质子膜表面，揭去离型背膜。为保证涂布质量，涂布工艺要求浆料温度一般低于10℃。其中，第二类工艺避免了质子膜与浆料中溶剂间的直接接触和发生溶胀问题，工艺质量可靠性高，该工艺所用涂布设备多采用转移和微凹辊结构，其涂布原理是：涂布辊部分浸在涂布料槽中，并通过转动将浆料带起，填充在涂布辊孔穴中浆料被转移到涂布基材上完成涂布，多余浆料被刮刀刮落掉入浆料槽重复使用。
目前，转移式、微凹辊涂布机中所用浆料料槽普遍未布置控温结构，使得槽中浆料温度、物性易受环境温度影响升高，使其粘度降低，流动性增强，易导致浆料涂布不均匀，厚度不一致，膜电极发电性能下降，寿命下降等问题。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种燃料电池膜电极涂布上料装置，能够解决膜电极间接涂布制备CCM过程中，涂布料槽内料液温度受环境影响问题，避免浆料受热升温，粘度降低、易出现气泡，涂布不均匀问题。
为实现上述目的设计一种燃料电池膜电极涂布上料装置，包括浆料罐2、浆料槽7、低温恒温槽15，所述低温恒温槽15中注入有制冷剂16，所述浆料罐2置于低温恒温槽15中，所述浆料罐2中注入有浆料1，所述浆料罐2内浆料1底部插入有取浆料管，所述取浆料管另一端连接浆料泵3，所述浆料泵3用于将浆料罐2中的浆料1抽出并增压排出，所述浆料泵3的输出端通过管道连接浆料槽7，所述浆料泵3与浆料槽7之间的管道上依次设置有浆料管路开关阀4、浆料流量调节阀5、浆料测温计6，所述浆料1在浆料泵3的作用下流入浆料槽7的浆料池中，所述浆料槽7的浆料池中浸入有涂布辊9，所述涂布辊9的下部浸入于浆料池的浆料1中，并通过转动将浆料1带起，所述涂布辊9外表面分布有若干孔穴，填充在涂布辊9孔穴中的浆料1被转移至涂布辊9上方的离型背膜11上。
进一步地，所述涂布辊9一侧设置有刮刀13，所述刮刀13与涂布辊9外表面接触连接，所述刮刀13用于将多余浆料1刮落并掉入浆料槽7以重复使用，所述离型背膜11缠绕于传动辊一10与传动辊二12上，所述传动辊一10、传动辊二12用于传动离型背膜11。
进一步地，所述浆料槽7布置有浆料液位计一8，所述浆料液位计一8与浆料流量调节阀5相连接，所述浆料液位计一8用于控制调节流量阀5以保证浆料槽7内浆料液位稳定。
进一步地，所述浆料罐2布置有浆料液位计二14，所述浆料液位计二14与浆料管路开关阀4相连接，所述浆料液位计二14用于监测浆料罐2内的液位。
进一步地，所述低温恒温槽15内底部通过制冷剂管道连接至浆料槽7的夹套内，所述浆料槽7的夹套设置在浆料槽7的浆料池下方，所述夹套内的制冷剂16用于对浆料池内的浆料1进行换热降温，所述制冷剂管道上装设有制冷剂管线开关阀17、制冷剂流量调节阀18，所述浆料槽7的夹套与低温恒温槽15之间连接有制冷剂回流管道，所述制冷剂回流管道上装设有制冷剂管路开关阀19，所述制冷剂回流管道用于将与浆料1换热升温后的制冷剂16从浆料槽7中流出并返回至低温恒温槽15以降温重复使用。
进一步地，所述浆料槽7包括侧板一21、侧板二22、弧形板23、侧板三24、侧板四25、底板26，所述侧板一21、侧板二22、侧板三24、侧板四25围合成上下端敞口的矩形框架，所述矩形框架底端连接有底板26，所述矩形框架内部底板26的上方安装有弧形板23，所述弧形板23内上部形成用于存放浆料1的浆料池。
进一步地，所述弧形板23底端与底板26之间形成用于存放制冷剂16的夹套，所述夹套内布置有制冷剂流道，所述制冷剂流道布置为多流程结构，所述多流程结构用于控制制冷剂流动分布。
进一步地，所述浆料槽7内底部设置有隔板一27、隔板二28、隔板三29、隔板四30、隔板五31、隔板六32，所述隔板一27、隔板五31设置在弧形板23与底板26之间，且竖直布置，所述隔板一27与隔板三29以及隔板五31与隔板四30分别构成L型，所述隔板一27与隔板三29顶端连接有隔板二28，所述隔板五31与隔板四30顶端连接有隔板六32，所述隔板二28、隔板六32均水平布置，所述隔板四30、隔板五31、隔板六32与侧板四25、底板26分隔出制冷剂第一流程，所述隔板六32、侧板一21、弧形板23、侧板四25组成制冷剂第二流程，所述侧板一21、隔板一27、隔板五31、底板26组成第三流程，所述隔板一27、隔板二28、隔板三29、侧板二22、侧板三24组成第四流程，所述隔板二28、侧板二22、弧形板23、侧板一21组成第五流程。
进一步地，所述底板26上开设有制冷剂入口、制冷剂出口、浆料入口一和浆料入口二，所述制冷剂入口处连接有制冷剂进口接管34，并通过制冷剂进口接管34连接制冷剂管道，所述制冷剂出口处连接有制冷剂出口接管33，并通过制冷剂出口接管33连接制冷剂回流管道，所述浆料入口一、浆料入口二处分别连接有浆料进口接管一35、浆料进口接管二36，并通过浆料进口接管一35、浆料进口接管二36连接取浆料管，所述浆料进口接管一35、浆料进口接管二36均延伸至弧形板23上端面。
本发明还提供了一种燃料电池膜电极涂布上料装置的上料方法，包括以下步骤：首先向低温恒温槽15中注入制冷剂16，由低温恒温槽15控制制冷剂16温度为5-8℃；然后按涂布需求量，将浆料1注入浆料罐2，再将浆料罐2放入低温恒温槽15中；将取浆料管插入浆料1底部并连接浆料泵3，由浆料泵3从浆料罐2中抽出浆料1并增压排出，浆料1流经浆料管路开关阀4、浆料流量调节阀5、浆料测温计6后流入浆料槽7的浆料池；最后，将涂布辊9的部分体积浸于浆料槽7中，并通过转动将浆料1带起，填充在涂布辊9孔穴中的浆料1即可被转移至离型背膜11上。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明提供了一种燃料电池膜电极涂布上料装置与方法，能够解决膜电极间接涂布制备CCM过程中，涂布料槽内料液温度受环境影响问题；
(2)本发明浆料槽内设置有多流程制冷剂流道，增加了制冷剂湍流程度，有利于提高传热效率，有利于浆料沿料槽长度方向散热均匀；
(3)本发明浆料槽内实现了制冷剂与换热弧形板的接触面积最大，提高了换热效率，能够避免浆料受热升温，粘度降低、易出现气泡，涂布不均匀问题；
(4)本发明浆料槽由薄金属板焊接组成，减轻了设备重量和热惯性，有利于浆料快速降温和控温操作。
[附图说明]
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明浆料槽的外部结构示意图；
图3是本发明浆料槽的内部结构示意图；
图4是本发明浆料槽内部沿长度方向主视图；
图5是本发明浆料槽内制冷剂流程分布图；
图6是本发明浆料槽进出口接管布置图；
图中：1、浆料 2、浆料罐 3、浆料泵 4、浆料管路开关阀 5、浆料流量调节阀 6、浆料测温计 7、浆料槽 8、浆料液位计一 9、涂布辊 10、传动辊一 11、离型背膜 12、传动辊二13、刮刀 14、浆料液位计二 15、低温恒温槽 16、制冷剂 17、制冷剂管线开关阀 18、制冷剂流量调节阀 19、制冷剂管路开关阀 21、侧板一 22、侧板二 23、弧形板 24、侧板三 25、侧板四 26、底板 27、隔板一 28、隔板二 29、隔板三 30、隔板四 31、隔板五 32、隔板六 33、制冷剂出口接管 34、制冷剂进口接管 35、浆料进口接管一 36、浆料进口接管二。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图1所示，本发明提供了一种燃料电池膜电极涂布上料装置，包括浆料罐2、浆料槽7、低温恒温槽15，低温恒温槽15中注入有制冷剂16，浆料罐2置于低温恒温槽15中，浆料罐2中注入有浆料1，浆料罐2内浆料1底部插入有取浆料管，取浆料管另一端连接浆料泵3，浆料泵3用于将浆料罐2中的浆料1抽出并增压排出，浆料泵3的输出端通过管道连接浆料槽7，浆料泵3与浆料槽7之间的管道上依次设置有浆料管路开关阀4、浆料流量调节阀5、浆料测温计6，浆料1在浆料泵3的作用下流入浆料槽7的浆料池中，浆料槽7的浆料池中浸入有涂布辊9，涂布辊9的下部浸入于浆料池的浆料1中，并通过转动将浆料1带起，涂布辊9外表面分布有若干孔穴，填充在涂布辊9孔穴中的浆料1被转移至涂布辊9上方的离型背膜11上；涂布辊9一侧设置有刮刀13，刮刀13与涂布辊9外表面接触连接，刮刀13用于将多余浆料1刮落并掉入浆料槽7以重复使用，离型背膜11缠绕于传动辊一10与传动辊二12上，传动辊一10、传动辊二12用于传动离型背膜11。
其中，浆料槽7布置有浆料液位计一8，浆料液位计一8与浆料流量调节阀5相连接，浆料液位计一8用于控制调节流量阀5以保证浆料槽7内浆料液位稳定；浆料罐2布置有浆料液位计二14，浆料液位计二14与浆料管路开关阀4相连接，浆料液位计二14用于监测浆料罐2内的液位；低温恒温槽15内底部通过制冷剂管道连接至浆料槽7的夹套内，浆料槽7的夹套设置在浆料槽7的浆料池下方，夹套内的制冷剂16用于对浆料池内的浆料1进行换热降温，制冷剂管道上装设有制冷剂管线开关阀17、制冷剂流量调节阀18，浆料槽7的夹套与低温恒温槽15之间连接有制冷剂回流管道，制冷剂回流管道上装设有制冷剂管路开关阀19，制冷剂回流管道用于将与浆料1换热升温后的制冷剂16从浆料槽7中流出并返回至低温恒温槽15以降温重复使用。
本发明燃料电池膜电极涂布上料方法，包括以下流程：往低温恒温槽15中注入制冷剂16，由低温恒温槽15控制制冷剂16温度为5-8℃。按涂布量需求量，制备浆料1并注入浆料罐2，再将浆料罐2放入低温恒温槽15中。取浆料管插入浆料1底部并连接浆料泵3，由浆料泵3从浆料罐2抽出浆料，并增压排出，流经浆料管路开关阀4、浆料流量调节阀5、浆料测温计6后流入浆料槽7的浆料池。涂布辊9的部分体积浸在浆料槽7(即涂布料槽)中，并通过转动将浆料1带起，填充在涂布辊9孔穴中的浆料被转移到离型背膜11上，多余浆料被刮刀13刮落掉入浆料槽重复使用。
传动辊一10、传动辊二12均用于传动离型背膜；浆料液位计一8用于控制浆料流量调节阀5，以保证浆料槽内浆料液位稳定；浆料罐2布置浆料液位计二14，用于监测浆料罐2内的液位，当监测到最低液位时可补充浆料或切断浆料管路开关阀4停止上料。为避免料液在管路输运过程中的吸热升温，进一步控制浆料槽7中料液温度。从低温恒温槽引出制冷剂，流经制冷剂管线开关阀17、制冷剂流量调节阀18后流入浆料槽7的夹套内，对浆料进行换热降温。制冷剂流量大小由制冷剂流量调节阀18控制，用于控制浆料换热负荷。与浆料换热升温后的制冷剂从浆料料槽中流出，流经制冷剂管路开关阀19后返回低温恒温槽15，以降温重复使用。
如附图2所示，浆料槽7包括侧板一21、侧板二22、弧形板23、侧板三24、侧板四25、底板26，侧板一21、侧板二22、侧板三24、侧板四25围合成上下端敞口的矩形框架，矩形框架底端连接有底板26，矩形框架内部底板26的上方安装有弧形板23，弧形板23内上部形成用于存放浆料1的浆料池。
弧形板23底端与底板26之间形成用于存放制冷剂16的夹套，夹套内布置有制冷剂流道，制冷剂流道布置为多流程结构，多流程结构用于控制制冷剂流动分布，提高与浆料换热温度均匀性。
如附图3和附图4所示，浆料槽7内底部设置有隔板一27、隔板二28、隔板三29、隔板四30、隔板五31、隔板六32，隔板一27、隔板五31设置在弧形板23与底板26之间，且竖直布置，隔板一27与隔板三29以及隔板五31与隔板四30分别构成L型，隔板一27与隔板三29顶端连接有隔板二28，隔板五31与隔板四30顶端连接有隔板六32，隔板二28、隔板六32均水平布置。上述隔板与侧板一21、侧板二22、侧板三24、侧板四25、弧形板23和底板26将浆料槽7中制冷剂流道分为5个流程，分别为：隔板四30、隔板五31、隔板六32与侧板四25、底板26分隔出制冷剂第一流程，隔板六32、侧板一21、弧形板23、侧板四25组成制冷剂第二流程，侧板一21、隔板一27、隔板五31、底板26组成第三流程，隔板一27、隔板二28、隔板三29、侧板二22、侧板三24组成第四流程，隔板二28、侧板二22、弧形板23、侧板一21组成第五流程。上述板材均为不锈钢，厚度为1-4mm，板与板间相接触区域通过焊接密封连接。
如附图5和附图6所示，底板26上开设有制冷剂入口、制冷剂出口、浆料入口一和浆料入口二，制冷剂入口处连接有制冷剂进口接管34，并通过制冷剂进口接管34连接制冷剂管道，制冷剂出口处连接有制冷剂出口接管33，并通过制冷剂出口接管33连接制冷剂回流管道，浆料入口一、浆料入口二处分别连接有浆料进口接管一35、浆料进口接管二36，并通过浆料进口接管一35、浆料进口接管二36连接取浆料管，浆料进口接管一35、浆料进口接管二36均延伸至弧形板23上端面。制冷剂从制冷剂进口接管34流入料槽，需要折返5个流程，从制冷剂出口接管33流出。料槽的底板上布置有浆料进口接管一35、浆料进口接管二36，浆料进口接管一35、浆料进口接管二36直连到弧形板上端面，以保证浆料流入料槽池。浆料进口接管一35、浆料进口接管二36与料槽弧形板、底板均焊接密封连接，以避免料液与制冷剂之间泄漏。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极涂布上料装置，其特征在于：包括浆料罐(2)、浆料槽(7)、低温恒温槽(15)，所述低温恒温槽(15)中注入有制冷剂(16)，所述浆料罐(2)置于低温恒温槽(15)中，所述浆料罐(2)中注入有浆料(1)，所述浆料罐(2)内浆料(1)底部插入有取浆料管，所述取浆料管另一端连接浆料泵(3)，所述浆料泵(3)用于将浆料罐(2)中的浆料(1)抽出并增压排出，所述浆料泵(3)的输出端通过管道连接浆料槽(7)，所述浆料泵(3)与浆料槽(7)之间的管道上依次设置有浆料管路开关阀(4)、浆料流量调节阀(5)、浆料测温计(6)，所述浆料(1)在浆料泵(3)的作用下流入浆料槽(7)的浆料池中，所述浆料槽(7)的浆料池中浸入有涂布辊(9)，所述涂布辊(9)的下部浸入于浆料池的浆料(1)中，并通过转动将浆料(1)带起，所述涂布辊(9)外表面分布有若干孔穴，填充在涂布辊(9)孔穴中的浆料(1)被转移至涂布辊(9)上方的离型背膜(11)上。
2.如权利要求1所述的燃料电池膜电极涂布上料装置，其特征在于：所述涂布辊(9)一侧设置有刮刀(13)，所述刮刀(13)与涂布辊(9)外表面接触连接，所述刮刀(13)用于将多余浆料(1)刮落并掉入浆料槽(7)以重复使用，所述离型背膜(11)缠绕于传动辊一(10)与传动辊二(12)上，所述传动辊一(10)、传动辊二(12)用于传动离型背膜(11)。
3.如权利要求1所述的燃料电池膜电极涂布上料装置，其特征在于：所述浆料槽(7)布置有浆料液位计一(8)，所述浆料液位计一(8)与浆料流量调节阀(5)相连接，所述浆料液位计一(8)用于控制调节流量阀(5)以保证浆料槽(7)内浆料液位稳定。
4.如权利要求1所述的燃料电池膜电极涂布上料装置，其特征在于：所述浆料罐(2)布置有浆料液位计二(14)，所述浆料液位计二(14)与浆料管路开关阀(4)相连接，所述浆料液位计二(14)用于监测浆料罐(2)内的液位。
5.如权利要求1所述的燃料电池膜电极涂布上料装置，其特征在于：所述低温恒温槽(15)内底部通过制冷剂管道连接至浆料槽(7)的夹套内，所述浆料槽(7)的夹套设置在浆料槽(7)的浆料池下方，所述夹套内的制冷剂(16)用于对浆料池内的浆料(1)进行换热降温，所述制冷剂管道上装设有制冷剂管线开关阀(17)、制冷剂流量调节阀(18)，所述浆料槽(7)的夹套与低温恒温槽(15)之间连接有制冷剂回流管道，所述制冷剂回流管道上装设有制冷剂管路开关阀(19)，所述制冷剂回流管道用于将与浆料(1)换热升温后的制冷剂(16)从浆料槽(7)中流出并返回至低温恒温槽(15)以降温重复使用。
6.如权利要求5所述的燃料电池膜电极涂布上料装置，其特征在于：所述浆料槽(7)包括侧板一(21)、侧板二(22)、弧形板(23)、侧板三(24)、侧板四(25)、底板(26)，所述侧板一(21)、侧板二(22)、侧板三(24)、侧板四(25)围合成上下端敞口的矩形框架，所述矩形框架底端连接有底板(26)，所述矩形框架内部底板(26)的上方安装有弧形板(23)，所述弧形板(23)内上部形成用于存放浆料(1)的浆料池。
7.如权利要求6所述的燃料电池膜电极涂布上料装置，其特征在于：所述弧形板(23)底端与底板(26)之间形成用于存放制冷剂(16)的夹套，所述夹套内布置有制冷剂流道，所述制冷剂流道布置为多流程结构，所述多流程结构用于控制制冷剂流动分布。
8.如权利要求7所述的燃料电池膜电极涂布上料装置，其特征在于：所述浆料槽(7)内底部设置有隔板一(27)、隔板二(28)、隔板三(29)、隔板四(30)、隔板五(31)、隔板六(32)，所述隔板一(27)、隔板五(31)设置在弧形板(23)与底板(26)之间，且竖直布置，所述隔板一(27)与隔板三(29)以及隔板五(31)与隔板四(30)分别构成L型，所述隔板一(27)与隔板三(29)顶端连接有隔板二(28)，所述隔板五(31)与隔板四(30)顶端连接有隔板六(32)，所述隔板二(28)、隔板六(32)均水平布置，所述隔板四(30)、隔板五(31)、隔板六(32)与侧板四(25)、底板(26)分隔出制冷剂第一流程，所述隔板六(32)、侧板一(21)、弧形板(23)、侧板四(25)组成制冷剂第二流程，所述侧板一(21)、隔板一(27)、隔板五(31)、底板(26)组成第三流程，所述隔板一(27)、隔板二(28)、隔板三(29)、侧板二(22)、侧板三(24)组成第四流程，所述隔板二(28)、侧板二(22)、弧形板(23)、侧板一(21)组成第五流程。
9.如权利要求8所述的燃料电池膜电极涂布上料装置，其特征在于：所述底板(26)上开设有制冷剂入口、制冷剂出口、浆料入口一和浆料入口二，所述制冷剂入口处连接有制冷剂进口接管(34)，并通过制冷剂进口接管(34)连接制冷剂管道，所述制冷剂出口处连接有制冷剂出口接管(33)，并通过制冷剂出口接管(33)连接制冷剂回流管道，所述浆料入口一、浆料入口二处分别连接有浆料进口接管一(35)、浆料进口接管二(36)，并通过浆料进口接管一(35)、浆料进口接管二(36)连接取浆料管，所述浆料进口接管一(35)、浆料进口接管二(36)均延伸至弧形板(23)上端面。
10.一种如权利要求1至9中任一项所述的燃料电池膜电极涂布上料装置的上料方法，其特征在于，包括以下步骤：首先向低温恒温槽(15)中注入制冷剂(16)，由低温恒温槽(15)控制制冷剂(16)温度为5-8℃；然后按涂布需求量，将浆料(1)注入浆料罐(2)，再将浆料罐(2)放入低温恒温槽(15)中；将取浆料管插入浆料(1)底部并连接浆料泵(3)，由浆料泵(3)从浆料罐(2)中抽出浆料(1)并增压排出，浆料(1)流经浆料管路开关阀(4)、浆料流量调节阀(5)、浆料测温计(6)后流入浆料槽(7)的浆料池；最后，将涂布辊(9)的部分体积浸于浆料槽(7)中，并通过转动将浆料(1)带起，填充在涂布辊(9)孔穴中的浆料(1)即可被转移至离型背膜(11)上。
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