CN116936828A - 一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了应用于新能源电池加工领域的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，本方案中，在对气体扩散层进行热压过程中，催化剂层所包含的有机溶剂会在高温作用下挥发，并通过传输管排出，而在接触到固着环和捕获单元部分后，会逐渐液化，被呈三维螺旋状的捕获单元所捕获，对挥发的有机溶剂和少量催化剂进行富集作用，便于后续的回收利用，而随着液化气体的部分增加，捕获单元自身内部的三维空间立体结构也会逐渐饱和，过溢的液体会从捕获单元内的间隙中渗出，在固着环和捕获单元在自重的作用以及液化的气体质量增加的作用下滑落到传输管远离热压舱一端的垂直段，方便维护人员取出，并重新设置新的固着环和捕获单元。

Description

一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置

技术领域

本申请涉及新能源电池加工领域，特别涉及一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置。

背景技术

膜电极(MEA)被称为氢燃料电池的“心脏”，是多项物质传输和电化学反应的核心场所，主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层三部分组成，在相应温度和压力下，热压成为三合一组件，其承担了燃料电池全部电化学反应，以及电子、质子、气体和水的传导，决定了电堆性能、寿命和成本的上限，高性能、低铂载量、低成本、长寿命的膜电极对于加速氢燃料电池商业化进程具有非常重要的意义。

现有的膜电极生产过程中，无论催化剂载体选用什么材料，通常需要利用有机溶剂制备液体的前驱体，这些溶剂通常在热压过程中极易会挥发形成有毒气体，这些废气需要进行严格的回收，一方面是可以对废气中包含的有机溶剂和部分挥发的催化剂进行回收利用，另一方面则这些有机溶剂和部分挥发的催化剂极易诱发严重的生产安全事故。

随着自动化生产技术的发展，膜电极审查过程已经可以进行连续化的生产：将催化剂均匀涂覆在质子膜的两面，之后再利用热压技术，将气体扩散层固定在催化剂的外侧，形成膜电极，在生产过程中，一旦针对催化剂的废气回收设备出现问题，即无法对挥发的有机溶剂和部分挥发的催化剂进行有效的回收利用，极易造成严重的生产安全事故。

发明内容

本申请目的在于解决膜电极涂覆生产过程中，对催化剂和有机溶剂的回收处理工作，相比现有技术提供一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，通过涂覆模块包括涂覆舱，涂覆舱内设置有一对涂覆单元，两个涂覆单元分别位于质子膜的上下两侧，热压模块包括热压舱，热压舱内壁上转动连接有一对热压辊，两个热压辊分别位于质子膜的上下两侧，涂覆模块与热压模块之间设置有一对料架辊，两个料架辊分别位于质子膜的上下两侧，料架辊上缠绕有气体扩散层，两个气体扩散层远离料架辊的一端均贯穿热压舱，热压舱的上端固定连接有废气处理模块，废气处理模块包括传输管，传输管与热压舱相连通，传输管呈倒“Y”形，两个压力传感相互靠近的一端固定连接有多个捕获单元，多个捕获单元相互交错形成三维空间立体结构，传输管远离热压模块的两头分别与质子膜平行和垂直，传输管内插设有一对固着环，传输管远离热压模块一端的平行部位内固定连接有负压风扇，传输管远离热压模块一端的竖直部分螺纹连接有回收盖；

实现对膜电极生产过程中所产生的废气进行有效的富集，便于后续的统一回收再利用处理，不易因上述废气泄漏而出现生产安全事故。

进一步，捕获单元包括富集纤维，富集纤维呈三维螺旋状，相邻富集纤维缠绕在一起形成三维空间立体结构，利用三维空间立体结构对热压舱内液化的有机溶剂和催发剂进行捕获和富集工作。

进一步，富集纤维为中空结构，富集纤维的外表面开凿有多个毛细裂纹，多个毛细裂纹均贯穿富集纤维，增加捕获单元的捕获体积，增加捕获单元的有效捕获体积，增加捕获单元整体的富集效果。

进一步，多个毛细裂纹在富集纤维表面的范围内延长线并不相交，使得富集纤维不易在外力的拉扯下发生断裂。

进一步，富集纤维的内外壁均涂覆有亲有机溶剂的涂层，且该涂层通过浸润的方式涂覆在富集纤维的内外壁，增加捕获单元的富集效果。

进一步，传输管和富集纤维均选用透明材料制成，维护人员在日常维护的过程中，可以通过传输管观测到捕获单元具体的富集情况，可以在日常维护过程中，提前对已经趋近饱和的捕获单元及时进行手动更换。

进一步，传输管远离热压模块一端的平行部位的上半段固定限位板，限位板位于，固着环和捕获单元与负压风扇之间，在固着环和捕获单元沿传输管滑行的过程中，限位板的存在可以使得固着环和捕获单元准确落入回收盖内，便于进行回收再利用。

可选的，回收盖的底板上固定连接有压力传感，在固着环落到回收盖内时，会发生一次冲击，压力传感所检测到的重量急剧上升后，出现一定的回落并保持重量稳定，这是固着环和捕获单元正常工作到饱和后脱落，仅需要及时更换固着环和捕获单元即可，而在压力传感所检测的重量持续升高，说明固着环和捕获单元在饱和后没有正常从传输管内脱落，或固着环和捕获单元无法对有机溶剂和催化剂进行有效的富集，需要工作人员进行细致的检查。

进一步，回收盖选用磁性材料制成，固着环内埋设有磁环，在固着环和捕获单元落入到回收盖内后，固着环会和回收盖形成吸附作用，而固着环自身的重量也会将多个捕获单元内的间隙进行一定程度的压缩，使得回收盖在运输到处理设施的过程中，保持相对的稳定，不易出现富集的催化剂和有机溶剂泄漏事故。

进一步，传输管内壁涂覆有疏有机溶剂的涂料，使得液化的有机溶剂和催化剂便于清理，不易在传输管内壁残留，便于固着环和捕获单元的更换，不易发生打滑。

相比于现有技术，本申请的优点在于：

本方案中，在对气体扩散层进行热压过程中，催化剂层所包含的有机溶剂会在高温作用下挥发，并通过传输管排出，而在接触到固着环和捕获单元部分后，会逐渐液化，被呈三维螺旋状的捕获单元所捕获，对挥发的有机溶剂和少量催化剂进行富集作用，便于后续的回收利用，而随着液化气体的部分增加，捕获单元自身内部的三维空间立体结构也会逐渐饱和，过溢的液体会从捕获单元内的间隙中渗出，将固着环与传输管之间的接触方式由干摩擦变为湿摩擦，在固着环和捕获单元在自重的作用以及液化的气体质量增加的作用下滑落到传输管远离热压舱一端的垂直段，方便维护人员取出，并重新设置新的固着环和捕获单元。

此外通过在回收盖的底板上设置压力传感，可以通过压力传感检测到的重量变化来判断固着环和捕获单元的工作形态：压力传感所检测到的重量急剧上升后，出现一定的回落并保持重量稳定，这是固着环和捕获单元正常工作到饱和后脱落，仅需要及时更换固着环和捕获单元即可，而在压力传感所检测的重量持续升高，说明固着环和捕获单元在饱和后没有正常从传输管内脱落，或固着环和捕获单元无法对有机溶剂和催化剂进行有效的富集，需要工作人员进行细致的检查，确保废气处理模块内的结构可以正常运行，维持对有机溶剂和催化剂的富集工作。

附图说明

图1为本申请的燃料电池膜电极涂覆装置的主要结构示意图；

图2为本申请的燃料电池膜电极涂覆装置的主要结构的正面剖视图；

图3为本申请的燃料电池膜电极涂覆装置的主要结构的剖面结构示意图；

图4为本申请的废气处理模块正常工作时结构示意图；

图5为本申请的废气处理模块中捕获单元饱和时的运动趋势图；

图6为本申请的废气处理模块下滑过程中与限位板撞击时的示意图；

图7为本申请的废气处理模块落入回收盖后的结构示意图；

图8为本申请的捕获单元图；

图9为本申请的燃料电池膜电极的结构示意图；

图10为本申请的燃料电池膜电极生产的主要流程示意图。

图中标号说明：

1涂覆模块、101涂覆舱、102涂覆单元、2热压模块、201热压舱、202热压辊、3废气处理模块、301传输管、302负压风扇、303回收盖、304压力传感器、305限位板、4固着环、5捕获单元、501富集纤维、502毛细裂纹、6料架辊、7质子膜、8催化剂层、9气体扩散层。

具体实施方式

实施例将结合说明书附图，对本申请技术方案进行清楚、完整地描述，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1：

本发明提供了一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，请参阅图1-4，包括涂覆模块1和热压模块2，质子膜7沿自身运动的方向依次贯穿涂覆模块1和热压模块2，涂覆模块1包括涂覆舱101，涂覆舱101内设置有一对涂覆单元102，两个涂覆单元102分别位于质子膜7的上下两侧，两个涂覆单元102可以分别在质子膜7的上下两侧沿垂直于质子膜7行进的方向运动，并喷射出催化剂，涂覆在质子膜7的表面，而支撑涂覆单元102运动部件既可以完全设置在涂覆舱101的内侧，也可以贯穿涂覆舱101的外壁，另设机架，技术人员可以根据生产场地和生产需求进行合理的设计，热压模块2包括热压舱201，热压舱201内壁上转动连接有一对热压辊202，两个热压辊202分别位于质子膜7的上下两侧，涂覆模块1与热压模块2之间设置有一对料架辊6，两个料架辊6分别位于质子膜7的上下两侧，料架辊6上缠绕有气体扩散层9，两个气体扩散层9远离料架辊6的一端均贯穿热压舱201并经过两个一对热压辊202的热压作用与质子膜7固定连接，热压舱201的上端固定连接有废气处理模块3，废气处理模块3包括传输管301，传输管301与热压舱201相连通，传输管301呈倒“Y”形，两个压力传感304相互靠近的一端固定连接有多个捕获单元5，多个捕获单元5相互交错形成三维空间立体结构，传输管301远离热压模块2的两头分别与质子膜7平行和垂直，传输管301内插设有一对固着环4，两个固着环4可以通过与传输管301之间的摩擦力实现在传输管301内保持位置固定，传输管301远离热压模块2一端的平行部位内固定连接有负压风扇302，传输管301远离热压模块2一端的竖直部分螺纹连接有回收盖303。

特别的，本申请中质子膜7、涂覆模块1、料架辊6、热压模块2和废气处理模块3均需要另设支撑用的机架和传输结构，而支撑机架和传输结构的具体形状和架设方式为本领域技术人员的公知技术，本领域技术人员可以根据现有技术和实际工作环境进行合理的设计。

请参阅图2和9-10，本方案中，质子膜7在传输结构的作用下，自涂覆模块1向热压模块2的方向运动，质子膜7在运动到涂覆单元102的下侧时，由涂覆单元102进行喷涂催化剂，在质子膜7的上下两面形成催化剂层8，之后传输到废气处理模块3内，在质子膜7自涂覆模块1向废气处理模块3运动的过程中，在催化剂层8的表面铺设气体扩散层9，并在运动到热压辊202所在的位置时，由热压辊202进行热压，使得气体扩散层9紧贴催化剂层8的表面，形成膜电极成品。

请参阅图4-7，而在对气体扩散层9进行热压过程中，催化剂层8所包含的有机溶剂会在高温作用下挥发，而在负压风扇302的作用下，会在热压舱201内形成负压环境，挥发的气体会通过传输管301排出，而传输管301远离热压舱201的一端的平行性部则与废气处理设备相连通，热压舱201内因高温而产生的挥发气体在经过长时间移动后，自身温度下降，在接触到固着环4和捕获单元5部分后，会逐渐液化，被呈三维螺旋状的捕获单元5所捕获，而在传输管301因环境原因而无法设置成足够长而满足催化剂和有机溶剂液化时，则可以在固着环4所在的位置设置与之相匹配的冷凝结构，确保气化的有机溶剂和催化剂在运动到捕获单元5所在的位置时会液化，对挥发的有机溶剂和少量催化剂进行富集作用，便于后续的回收利用，而随着液化气体的部分增加，捕获单元5自身内部的三维空间立体结构也会逐渐饱和，过溢的液体会从捕获单元5内的间隙中渗出，将固着环4与传输管301之间的接触方式由干摩擦变为湿摩擦，减小两者之间的摩擦力，固着环4和捕获单元5在自重的作用以及液化的气体质量增加的作用下滑落到传输管301远离热压舱201一端的垂直段，方便维护人员取出，并重新设置新的固着环4和捕获单元5，而在上述过程中，热压舱201内产生的废气则有废气处理设备进行处理。

请参阅图4和图8，捕获单元5包括富集纤维501，富集纤维501呈三维螺旋状，相邻富集纤维501缠绕在一起形成三维空间立体结构，利用三维空间立体结构对热压舱201内液化的有机溶剂和催发剂进行捕获和富集工作，富集纤维501为中空结构，富集纤维501的外表面开凿有多个毛细裂纹502，多个毛细裂纹502均贯穿富集纤维501，增加捕获单元5的捕获体积，增加捕获单元5的有效捕获体积，增加捕获单元5整体的富集效果，多个毛细裂纹502在富集纤维501表面的范围内延长线并不相交，使得富集纤维501不易在外力的拉扯下发生断裂，富集纤维501的内外壁均涂覆有亲有机溶剂的涂层，且该涂层通过浸润的方式涂覆在富集纤维501的内外壁，增加捕获单元5的富集效果。

请参阅图3-4，传输管301和富集纤维501均选用透明材料制成，维护人员在日常维护的过程中，可以通过传输管301观测到捕获单元5具体的富集情况，可以在日常维护过程中，提前对已经趋近饱和的捕获单元5及时进行手动更换，传输管301远离热压模块2一端的平行部位的上半段固定限位板305，限位板305位于，固着环4和捕获单元5与负压风扇302之间，在固着环4和捕获单元5沿传输管301滑行的过程中，限位板305的存在可以使得固着环4和捕获单元5准确落入回收盖303内，便于进行回收再利用。

实施例2：

本发明提供了一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，请参阅图7，回收盖303的底板上固定连接有压力传感304，在固着环4落到回收盖303内时，会发生一次冲击，压力传感304所检测到的重量急剧上升后，出现一定的回落并保持重量稳定，这是固着环4和捕获单元5正常工作到饱和后脱落，仅需要及时更换固着环4和捕获单元5即可，而在压力传感304所检测的重量持续升高，说明固着环4和捕获单元5在饱和后没有正常从传输管301内脱落，或固着环4和捕获单元5无法对有机溶剂和催化剂进行有效的富集，需要工作人员进行细致的检查，回收盖303选用磁性材料制成，固着环4内埋设有磁环，在固着环4和捕获单元5落入到回收盖303内后，固着环4会和回收盖303形成吸附作用，而固着环4自身的重量也会将多个捕获单元5内的间隙进行一定程度的压缩，使得回收盖303在运输到处理设施的过程中，保持相对的稳定，不易出现富集的催化剂和有机溶剂泄漏事故，传输管301内壁涂覆有疏有机溶剂的涂料，使得液化的有机溶剂和催化剂便于清理，不易在传输管301内壁残留，便于固着环4和捕获单元5的更换，不易发生打滑。

本实施例中的结构并不影响实施例1结构的正常工作，不影响对有机溶剂和催化剂的富集工作，而是着眼于后续的回收处理工作，为维护人员的工作提供方便。

以上所述，仅为本申请结合当前实际需求采用的最佳实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此。

Claims (10)

1.一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，包括涂覆模块(1)和热压模块(2)，质子膜(7)沿自身运动的方向依次贯穿涂覆模块(1)和热压模块(2)，其特征在于，所述涂覆模块(1)包括涂覆舱(101)，所述涂覆舱(101)内设置有一对涂覆单元(102)，两个所述涂覆单元(102)分别位于质子膜(7)的上下两侧，所述热压模块(2)包括热压舱(201)，所述热压舱(201)内壁上转动连接有一对热压辊(202)，两个热压辊(202)分别位于质子膜(7)的上下两侧，所述涂覆模块(1)与热压模块(2)之间设置有一对料架辊(6)，两个所述料架辊(6)分别位于质子膜(7)的上下两侧，所述料架辊(6)上缠绕有气体扩散层(9)，两个所述气体扩散层(9)远离料架辊(6)的一端均贯穿热压舱(201)，所述热压舱(201)的上端固定连接有废气处理模块(3)，所述废气处理模块(3)包括传输管(301)，所述传输管(301)与热压舱(201)相连通，所述传输管(301)呈倒“Y”形，两个所述压力传感(304)相互靠近的一端固定连接有多个捕获单元(5)，多个所述捕获单元(5)相互交错形成三维空间立体结构，所述传输管(301)远离热压模块(2)的两头分别与质子膜(7)平行和垂直，所述传输管(301)内插设有一对固着环(4)，所述传输管(301)远离热压模块(2)一端的平行部位内固定连接有负压风扇(302)，所述传输管(301)远离热压模块(2)一端的竖直部分螺纹连接有回收盖(303)。

2.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，其特征在于，所述捕获单元(5)包括富集纤维(501)，所述富集纤维(501)呈三维螺旋状，相邻所述富集纤维(501)缠绕在一起形成三维空间立体结构。

3.根据权利要求2所述的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，其特征在于，所述富集纤维(501)为中空结构，所述富集纤维(501)的外表面开凿有多个毛细裂纹(502)，多个所述毛细裂纹(502)均贯穿富集纤维(501)。

4.根据权利要求3所述的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，其特征在于，多个所述毛细裂纹(502)在富集纤维(501)表面的范围内延长线并不相交。

5.根据权利要求2所述的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，其特征在于，所述富集纤维(501)的内外壁均涂覆有亲有机溶剂的涂层。

6.根据权利要求2所述的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，其特征在于，所述传输管(301)和富集纤维(501)均选用透明材料制成。

7.根据权利要求6所述的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，其特征在于，所述传输管(301)远离热压模块(2)一端的平行部位的上半段固定限位板(305)，所述限位板(305)位于，固着环(4)和捕获单元(5)与负压风扇(302)之间。

8.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，其特征在于，所述回收盖(303)的底板上固定连接有压力传感(304)。

9.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，其特征在于，所述回收盖(303)选用磁性材料制成，所述固着环(4)内埋设有磁环。

10.根据权利要求1所述的一种高效的燃料电池膜电极涂覆装置，其特征在于，所述传输管(301)内壁涂覆有疏有机溶剂的涂料。