CN111790534A - 一种用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，包括沿质子膜进料方向依次设置的质子膜放卷机构、阳极保护膜收卷机构、阳极浆料涂布机构、阳极催化层检测机构、阳极保护膜放卷机构、翻转机构、阴极保护膜收卷机构、阴极浆料涂布机构、阴极催化层检测机构、膜电极收卷机构。本发明通过翻转机构实现对膜电极的双面涂覆，大大提高了生产效率，阳极浆料供料系统里有温度传感器、粘度测试仪，可实时对浆料状况实现监控，并根据监控结果对超声振荡器、搅拌器实现参数调节。

Description

一种用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体地指一种制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池，是一种以氢气为燃料，直接将化学能转换为电能的发电装置。燃料电池的能量密度高、启动速度快、操作温度低、产物无污染等优点，使得其在汽车动力领域具有潜在的应用价值。膜电极的结构，通常为阳极催化层、质子交换膜，阴极催化层，被称为膜电极三合一组件。膜电极作为燃料电池电化学反应发生的场所，其性能好坏直接决定了燃料电池的性能和可靠性。虽然研究机构对于膜电极的制备方法以及膜电极结构优化取得了重大进步，但是对于核心部件膜电极的批量化制备装置和系统方面的研究却很少，使得膜电极的批量化成为制约其商业化发展的瓶颈。
目前已知的专利文献中，关于膜电极的批量化制备方式装置的描述并不多见，比如：
中国科学院大连化学物理研究所的专利“一种制备燃料电池膜电极的静电喷涂装置”(公开号CN 106861958A)，公开了一种适用于燃料电池膜电极制备的静电喷涂装置，其装置包括外壳，抽真空加热台，带搅拌的浆料供应系统，静电喷头，以及静电发生器，该装置虽然可以通过静电排斥作用，提高催化剂的喷涂效率，提高催化层的均一性，但是该装置喷涂效率低，对环境要求高，无法实现全自动双面喷涂，同时真空吸附装置容易使得膜电极产生孔缺陷，无法满足批量化制备的膜电极的质量要求。
广州合即得能源科技有限公司的专利“用于燃料电池膜电极制备的卷对卷涂布系统”(公开号CN109411789A)，公开了一种适用于膜电极制备的卷对卷涂布系统，其制备系统只有涂布装置、翻转装置、剥离装置、烘干装置，并没有进料控制系统，在涂布过程中并不能避免催化剂浆料自聚沉，无法保证催化剂浆料的分散性。该套系统虽然可以批量化制备膜电极，但是对于膜电极的质量无法保证。
南京大学昆山创新研究院的专利“一种燃料电池膜电极制备浆料供应系统”(申请号201820988025.0)，公开了一种燃料电池膜电极浆料供应系统，该系统包括机架、储料系统、注射泵、三通电磁阀等，该装置可以实现催化剂浆料的连续供料，但是其公用管路导致阴阳极催化剂双面喷涂时，导致两种不同类型的催化剂浆料相互污染。
日本丰田汽车的专利“涂膜的形成方法”中(专利号JP06048428B2)，公开了间歇涂布方法制备涂膜过程中产生条纹和斑点的原因，指出对工艺参数的控制有利于改善涂膜质量，特别是对浆料供应系统的精确控制，但是缺乏相应的完整的装置。
上述公开的专利给出了关于质子交换膜燃料电池膜电极制备装置和系统的一些技术路线，但是主要是采用静电喷涂法，辊压式涂敷法制备催化剂覆膜电极(CCM)。这些制备方法面临着制备过程中催化剂浆料的浪费、涂布均匀性差、CCM电极剪切边缘容易短路，效率低等问题。
因此，需要开发出一种用于制备质子交换膜燃料电池膜电极双面涂敷装置，解决现有装置涂敷过程中一致性和均匀性差的问题，提高膜电极的一致性，实现膜电极的工业化制备。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种提高膜电极的一致性、均匀性的用于制备质子交换膜燃料电池膜电极双面涂敷装置。
本发明的技术方案为：一种用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，包括沿质子膜进料方向依次设置的质子膜放卷机构、阳极保护膜收卷机构、阳极浆料涂布机构、阳极催化层检测机构、阳极保护膜放卷机构、翻转机构、阴极保护膜收卷机构、阴极浆料涂布机构、阴极催化层检测机构、膜电极收卷机构；
所述阳极浆料涂布机构包括用于将阳极浆料进行静电喷涂的阳极浆料供料系统以及用于将质子膜进行固定的阳极真空吸附热台，所述阳极真空吸附热台包括上方开口的箱体以及设置于箱体开口处、由上至下贴合的多孔复合面板、加热面板、真空吸附面板，所述箱体底部连接真空泵。
优选的，所述多孔复合面板包括三层由上至下孔径逐渐增大的微孔层、介孔层、大孔层，所述微孔层平均孔径大于1-2nm，介孔层平均孔径为2nm-50nm，大孔层平均孔径为50nm-2mm。
优选的，所述加热面板内部设有加热丝和温度传感器，所述加热面板上间隔开设竖向的第一开孔；所述真空吸附面板上间隔开设竖向的第二开孔，所述第二开孔位置、孔径与第一开孔对应。
优选的，所述真空吸附面板、箱体均为不锈钢材质且真空吸附面板焊接于箱体内，所述多孔复合面板、加热面板设置于真空吸附面板上且多孔复合面板四周与箱体密封粘接。
优选的，所述阳极浆料供料系统包括阳极浆料缓存装置、阳极浆料输送管路、阳极涂布头，所述阳极浆料缓存装置内设有超声振荡器、搅拌器、温度传感器、粘度测试仪；
所述浆料缓存装置、阳极涂布头通过阳极浆料输送管路连接且阳极浆料输送管路上沿流向设有阳极动力泵和阳极三通电磁阀，所述阳极三通电磁阀上设有一个进口和两个出口，其中一个进口、一个出口与阳极浆料输送管路连接，另一出口设置阳极循环管道连接至浆料缓存装置。
优选的，所述质子膜放卷机构包括质子膜原料放卷装置和质子膜放卷辊轮，所述阳极保护膜收卷机构包括阳极保护膜收卷装置和阳极保护膜剥离辊轮，所述质子膜放卷辊轮、阳极保护膜剥离辊轮位于质子膜两侧配合提供牵引力。
优选的，所述阳极保护膜放卷机构包括阳极保护膜放卷装置以及在质子膜两侧配合提供牵引力的一组阳极保护膜贴合辊轮；
所述翻转机构包括上下相对设置的一组第一翻转辊轮、一组第二翻转辊轮；
所述阴极保护膜收卷机构包括阴极保护膜卷材收卷装置以及质子膜两侧配合提供牵引力的一组阴极保护膜剥离辊轮。
优选的，所述阴极浆料涂布机构包括用于将阳极浆料进行静电喷涂的阴极浆料供料系统以及用于将质子膜进行固定的阴极真空吸附热台，
所述阴极浆料供料系统包括阴极浆料缓存装置、阴极浆料输送管路、阴极涂布头，所述阴极浆料缓存装置、阴极涂布头通过阴极浆料输送管路连接且阴极浆料输送管路上沿流向设有阴极动力泵和阴极三通电磁阀，所述阴极三通电磁阀上设有一个进口和两个出口，其中一个进口、一个出口与阴极浆料输送管路连接，另一出口设置阴极循环管道连接至阴极浆料缓存装置。
优选的，所述质子膜收卷装置包括膜电极三合一收卷装置，以及在质子膜两侧配合提供牵引力的一组膜电极收卷辊轮。
优选的，还包括沿质子膜进料方向在阳极浆料涂布机构两端周围设置的一组阳极涂布辊轮和一组阳极张力控制辊轮；沿质子膜进料方向在阴极浆料涂布机构两端周围设置的一组阴极涂布辊轮和一组阴极张力控制辊轮。
优选的，阳极催化层检测机构、阴极催化层检测机构内均设有测厚仪和X射线荧光分析仪。
其中微孔层、介孔层、大孔层均为市售材料，分别购自市面上的多孔陶瓷。
本发明的有益效果为：
1.阳极真空吸附热台的顶部为多孔复合面板和加热面板，实现对质子交换膜进行真空吸附固定和保温处理，多孔复合面板顶部的微孔层在抽真空时将膜平整吸附，从而使涂布的催化剂厚度均一，底部的大孔层则保障了抽真空的效率，避免负压不足无法将质子膜牢固吸附。加热面板的保温功能避免溶剂挥发导致膜溶胀，同时控制溶剂挥发速率保证涂布质量，使得膜电极的均一性和效率得以提升。
2.通过翻转机构实现对膜电极的双面涂覆，大大提高了生产效率，阳极浆料供料系统里有温度传感器、粘度测试仪，可实时对浆料状况实现监控，并根据监控结果对超声振荡器、搅拌器实现参数调节。
3.在阳极浆料涂布机构两端设置了阳极涂布辊轮和阳极张力控制辊轮，阳极张力控制辊轮在质子膜吸附于阳极真空吸附热台时对其施加合适张力，便于提高阳极涂覆质量；同理阴极浆料涂布机构两端设置阴极涂布辊轮和阴极张力控制辊轮，阴极张力控制辊轮在质子膜吸附于阴极真空吸附热台时对其施加合适张力，便于提高阴极涂覆质量。
4.阳极浆料涂覆完后通过阳极催化层检测机构进行厚度和pt载量检测，通过检测结果可对阳极涂布工艺参数进行调节。同理阴极浆料涂覆完后通过阴极催化层检测机构进行厚度和pt载量检测，通过检测结果可对阴极涂布工艺参数进行调节。
5.阳极浆料输送管路上设有阳极三通电磁阀和阳极循环管道，可在阳极浆料出料流量太大时直接将一部分浆料返回阳极浆料缓存装置，以便于精确控制涂布头处浆料流量，提高涂布质量；还能在涂布完毕后将管道内残余的阳极浆料返回阳极浆料缓存装置，以免堵塞管道和涂布头。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为箱体结构示意图
图3为多孔复合面板结构示意图(图中白色处为孔隙)
图4为加热面板结构示意图
图5为真空吸附面板结构示意图
图6为阳极浆料缓存装置结构示意图
其中：1-质子膜放卷机构2-阳极保护膜收卷机构3-阳极浆料涂布机构4-阳极催化层检测机构5-阳极保护膜放卷机构6-翻转机构7-阴极保护膜收卷机构8-阴极浆料涂布机构9-阴极催化层检测机构10-膜电极收卷机构11-质子膜原料放卷装置12-质子膜放卷辊轮21-阳极保护膜收卷装置22-阳极保护膜剥离辊轮31-阳极浆料供料系统32-阳极真空吸附热台33-箱体34-多孔复合面板(3401-微孔层3402-介孔层3403-大孔层)35-加热面板(3501-加热丝3502-温度传感器3503-第一开孔)36-真空吸附面板(3601-第二开孔)37-真空泵311-阳极浆料缓存装置(3111-超声振荡器3112-搅拌器3113-温度传感器3114-粘度测试仪)312-阳极浆料输送管路313-阳极涂布头314-阳极动力泵315-阳极三通电磁阀316-阳极循环管道51-阳极保护膜放卷装置52-阳极保护膜放卷辊轮61-第一翻转辊轮62-第二翻转辊轮71-阴极保护膜卷材收卷装置72-阴极保护膜剥离辊轮81-阴极浆料供料系统(811-阴极浆料缓存装置812-阴极浆料输送管路813-阴极涂布头814-阴极动力泵815-阴极三通电磁阀816-阴极循环管道)82-阴极真空吸附热台101-膜电极三合一收卷装置102-膜电极收卷辊轮13-阳极涂布辊轮14-阳极张力控制辊轮15-阴极涂布辊轮16-阴极张力控制辊轮200-质子膜201-阳极催化层202-阴极催化层。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供一种用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，包括沿质子膜进料方向依次设置的质子膜放卷机构1、阳极保护膜收卷机构2、阳极浆料涂布机构3、阳极催化层检测机构4、阳极保护膜放卷机构5、翻转机构6、阴极保护膜收卷机构7、阴极浆料涂布机构8、阴极催化层检测机构9、膜电极收卷机构10。
质子膜放卷机构1：包括质子膜原料放卷装置11和质子膜放卷辊轮12。
阳极保护膜收卷机构2：包括阳极保护膜收卷装置21和阳极保护膜剥离辊轮22，质子膜放卷辊轮12、阳极保护膜剥离辊轮22位于质子膜两侧配合提供牵引力。
阳极浆料涂布机构3：包括用于将阳极浆料进行静电喷涂的阳极浆料供料系统31以及用于将质子膜进行固定的阳极真空吸附热台32，如图2所示，阳极真空吸附热台32包括上方开口的箱体33以及设置于箱体33开口处、由上至下贴合的多孔复合面板34、加热面板35、真空吸附面板36，箱体33底部连接真空泵37。
如图3所示，多孔复合面板34包括三层由上至下孔径逐渐增大的微孔层3401、介孔层3402、大孔层3403，微孔层3401平均孔径1-2nm，介孔层3402平均孔径为2nm-50nm，大孔层3403平均孔径为50nm-2mm。
如图4所示，加热面板35内部设有加热丝3501和温度传感器3502，加热面板35上间隔开设竖向的第一开孔3503。
如图5所示，真空吸附面板36上间隔开设竖向的第二开孔3601，第二开孔3601位置、孔径与第一开孔3503对应。
本实施例中，真空吸附面板36、箱体33均为不锈钢材质且真空吸附面板36焊接于箱体33内，多孔复合面板34、加热面板35设置于真空吸附面板36上且多孔复合面板34四周与箱体33密封粘接。多孔复合面板34、加热面板35均为陶瓷材料。
阳极浆料供料系统31包括阳极浆料缓存装置311、阳极浆料输送管路312、阳极涂布头313，如图6所示，阳极浆料缓存装置311内设有超声振荡器3111、搅拌器3112、温度传感器3113、粘度测试仪3114。
阳极浆料缓存装置311、阳极涂布头313通过阳极浆料输送管路312连接且阳极浆料输送管路312沿浆料流向设有阳极动力泵314和阳极三通电磁阀315，阳极三通电磁阀315上设有一个进口和两个出口，其中一个进口、一个出口与阳极浆料输送管路312连接，另一出口设置阳极循环管道316连接至阳极浆料缓存装置311。
阳极保护膜放卷机构5：包括阳极保护膜放卷装置51以及在质子膜两侧配合提供牵引力的一组阳极保护膜放卷辊轮52。
翻转机构6：包括上下相对设置的一组第一翻转辊轮61、一组第二翻转辊轮62。
阴极保护膜收卷机构7：包括阴极保护膜卷材收卷装置71以及质子膜两侧配合提供牵引力的一组阴极保护膜剥离辊轮72，本实施例中阴极保护膜收卷机构7位于第一翻转辊轮61、第二翻转辊轮62之间，也可以根据需要设置于第二翻转辊轮62之后。
阴极浆料涂布机构8：包括用于将阴极浆料进行静电喷涂的阴极浆料供料系统81以及用于将质子膜进行固定的阴极真空吸附热台82，阴极浆料供料系统81包括阴极浆料缓存装置811、阴极浆料输送管路812、阴极涂布头813，阴极浆料缓存装置811、阴极涂布头813通过阴极浆料输送管路812连接且阴极浆料输送管路812沿浆料流向设有阴极动力泵814和阴极三通电磁阀815，阴极三通电磁阀815上设有一个进口和两个出口，其中一个进口、一个出口与阴极浆料输送管路812连接，另一出口设置阴极循环管道816连接至阴极浆料缓存装置811。阴极真空吸附热台82结构与阳极真空吸附热台32结构相同，于此不再赘述。
质子膜收卷装置10：包括膜电极三合一收卷装置101，以及在质子膜两侧配合提供牵引力的一组膜电极收卷辊轮102。
本发明用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置还包括沿质子膜进料方向在阳极浆料涂布机构3两端周围设置的一组阳极涂布辊轮13和一组阳极张力控制辊轮14；沿质子膜进料方向在阴极浆料涂布机构8两端周围设置的一组阴极涂布辊轮15和一组阴极张力控制辊轮16。
本实施例中，阳极催化层检测机构4、阴极催化层检测机构9内均设有测厚仪和X射线荧光分析仪(用于检测催化剂pt含量)。
本发明装置的工作原理为：
将预先配置好的阳极催化剂浆料，存放在阳极浆料缓存装置311中，通过阳极浆料输送管路312，经过阳极动力泵314进入阳极涂布头313，通过阳极三通电磁阀315的开度控制流量大小和涂布量，质子膜卷材放置于质子膜原料放卷装置11上，质子膜200在质子膜放卷辊轮12、阳极保护膜剥离辊轮22的牵引力的作用下往前移动，阳极保护膜收卷装置21将阳极保护膜收卷。
质子膜200完成阳极保护膜的剥离后，在阳极涂布辊轮13牵引下，经过阳极真空吸附热台32，完成质子膜与多孔复合面板34的贴合，同时通过阳极张力控制辊轮14对质子膜施加合适的张力，然后阳极涂布头313对质子膜200表面进行涂布，同时阳极真空吸附热台32同步完成干燥过程，等到阳极催化层201的涂覆完毕，通过阳极催化层检测机构4对阳极催化层201进行厚度和pt载量检测，待合格后，在阳极保护膜放卷辊轮52和阳极保护膜放卷装置51作用下，完成对阳极催化层保护膜的贴合，随后在第一翻转辊轮61作用下，完成转向和二次辊压。之后在阴极保护膜剥离辊轮72和阴极保护膜卷材收卷装置71的作用下，完成阴极保护膜的剥离，然后第二翻转辊轮62以及阴极涂布辊轮15完成对质子膜200翻转和牵引，经过阴极真空吸附热台82，此时进一步通过阴极张力控制辊轮16，对质子膜200施加合适的张力。
将预先配置好的阴极催化剂浆料，存放在阴极浆料缓存装置811中，通过阴极浆料输送管路812，经过阴极动力泵814进入阴极涂布头813，通过阴极三通电磁阀815的开度控制流量大小和涂布量，完成阴极催化层202的涂覆。同时阴极真空吸附热台82同步完成干燥过程，通过阴极催化层检测机构9对阴极催化层202进行厚度和pt载量检测，待合格后通过膜电极收卷辊轮102以及膜电极三合一收卷装置101，完成收卷。

Claims (10)

1.一种用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，包括沿质子膜进料方向依次设置的质子膜放卷机构(1)、阳极保护膜收卷机构(2)、阳极浆料涂布机构(3)、阳极催化层检测机构(4)、阳极保护膜放卷机构(5)、翻转机构(6)、阴极保护膜收卷机构(7)、阴极浆料涂布机构(8)、阴极催化层检测机构(9)、膜电极收卷机构(10)；
所述阳极浆料涂布机构(3)包括用于将阳极浆料进行静电喷涂的阳极浆料供料系统(31)以及用于将质子膜进行固定的阳极真空吸附热台(32)，所述阳极真空吸附热台(32)包括上方开口的箱体(33)以及设置于箱体(33)开口处、由上至下贴合的多孔复合面板(34)、加热面板(35)、真空吸附面板(36)，所述箱体(33)底部连接真空泵(37)。
2.如权利要求1所述的用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，所述多孔复合面板(34)包括三层由上至下孔径逐渐增大的微孔层(3401)、介孔层(3402)、大孔层(3403)，所述微孔层(3401)平均孔径1-2nm，介孔层(3402)平均孔径为2nm-50nm，大孔层(3403)平均孔径为50nm-2mm。
3.如权利要求2所述的用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，所述加热面板(35)内部设有加热丝(3501)和温度传感器(3502)，所述加热面板(35)上间隔开设竖向的第一开孔(3503)；所述真空吸附面板(36)上间隔开设竖向的第二开孔(3601)，所述第二开孔(3601)位置、孔径与第一开孔(3503)对应。
4.如权利要求1所述的用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，所述真空吸附面板(36)、箱体(33)均为不锈钢材质且真空吸附面板(36)焊接于箱体(33)内，所述多孔复合面板(34)、加热面板(35)设置于真空吸附面板(36)上且多孔复合面板(34)四周与箱体(33)密封粘接。
5.如权利要求1所述的用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，所述阳极浆料供料系统(31)包括阳极浆料缓存装置(311)、阳极浆料输送管路(312)、阳极涂布头(313)，所述阳极浆料缓存装置(311)内设有超声振荡器(3111)、搅拌器(3112)、温度传感器(3113)、粘度测试仪(3114)；
所述阳极浆料缓存装置(311)、阳极涂布头(313)通过阳极浆料输送管路(312)连接且阳极浆料输送管路(312)上沿流向设有阳极动力泵(314)和阳极三通电磁阀(315)，所述阳极三通电磁阀(315)上设有一个进口和两个出口，其中一个进口、一个出口与阳极浆料输送管路(312)连接，另一出口设置阳极循环管道(316)连接至阳极浆料缓存装置(311)。
6.如权利要求1所述的用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，所述质子膜放卷机构(1)包括质子膜原料放卷装置(11)和质子膜放卷辊轮(12)，所述阳极保护膜收卷机构(2)包括阳极保护膜收卷装置(21)和阳极保护膜剥离辊轮(22)，所述质子膜放卷辊轮(12)、阳极保护膜剥离辊轮(22)位于质子膜两侧配合提供牵引力。
7.如权利要求1所述的用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，所述阳极保护膜放卷机构(5)包括阳极保护膜放卷装置(51)以及在质子膜两侧配合提供牵引力的一组阳极保护膜放卷辊轮(52)；
所述翻转机构(6)包括上下相对设置的一组第一翻转辊轮(61)、一组第二翻转辊轮(62)；
所述阴极保护膜收卷机构(7)包括阴极保护膜卷材收卷装置(71)以及在质子膜两侧配合提供牵引力的一组阴极保护膜剥离辊轮(72)。
8.如权利要求1所述的用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，所述阴极浆料涂布机构(8)包括用于将阴极浆料进行静电喷涂的阴极浆料供料系统(81)以及用于将质子膜进行固定的阴极真空吸附热台(82)，所述阴极浆料供料系统(81)包括阴极浆料缓存装置(811)、阴极浆料输送管路(812)、阴极涂布头(813)，所述阴极浆料缓存装置(811)、阴极涂布头(813)通过阴极浆料输送管路(812)连接且阴极浆料输送管路(812)上沿流向设有阴极动力泵(814)和阴极三通电磁阀(815)，所述阴极三通电磁阀(815)上设有一个进口和两个出口，其中一个进口、一个出口与阴极浆料输送管路(812)连接，另一出口设置阴极循环管道(816)连接至阴极浆料缓存装置(811)。
9.如权利要求1所述的用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，所述质子膜收卷装置(10)包括膜电极三合一收卷装置(101)，以及在质子膜两侧配合提供牵引力的一组膜电极收卷辊轮(102)。
10.如权利要求1所述的用于制备质子交换膜膜电极的双面涂敷装置，其特征在于，还包括沿质子膜进料方向在阳极浆料涂布机构(3)两端分别设置的一组阳极涂布辊轮(13)和一组阳极张力控制辊轮(14)；沿质子膜进料方向在阴极浆料涂布机构(8)两端周围设置的一组阴极涂布辊轮(15)和一组阴极张力控制辊轮(16)。
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