CN1828985A - 制造燃料电池膜电极组件的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造燃料电池膜电极组件的设备，它包括：一个支撑膜电极基件的平台，一个能相对于平台移动的电动机械手臂，一个连接在电动机械手臂上的超声喷雾器，超声喷雾器又和至少一个装有催化剂或电解质墨水溶液的贮存器相连，以及一个能控制机械手臂和超声喷雾器的控制器，该控制器能按照设定好的程序来移动机械手臂，并且通过超声喷雾器来将墨水溶液喷涂到由平台支撑的膜电极基件上。该设备可以同时生产多个膜电极组件，且全部采用程序控制，提高了生产效率；超声喷雾器由控制器程控调整喷雾组成、喷雾强度、喷雾形式以及喷雾速度，不仅喷涂效果好而且节约原料，降低了成本。

Description

制造燃料电池膜电极组件的设备

一、技术领域

本发明涉及一种用于制造燃料电池的设备，具体的说是用于制造燃料电池膜电极组件的设备。

二、背景技术

燃料电池通过电化学反应将燃料和氧化剂转化成电能并生成反应产物。如果燃料为氢气氧化剂为氧气，则反应产物为水。

固体聚合物质子交换膜型燃料电池一般包括一个位于极板之间的膜电极组件。如图1所示，传统的质子交换膜燃料电池的膜电极组件包括一个置于一对催化电极之间的固体聚合物质子交换膜1。膜电极组件是质子交换膜燃料电池的关键组成部分，因为它是氢气(或其他合适的燃料，像甲醇)和空气中氧气发生电化学反应并产生电能的场所。质子交换膜1是一种可以传递质子的电解质，并作为一种隔膜将燃料和氧化剂分开。典型的质子交换膜由支链部分磺酸化的氟化聚合物制成的。每一个电极含有一个被铂电催化层2覆盖的气体扩散层(GDL)3，铂电催化层2位于质子交换膜1和气体扩散层3之间。铂基底催化层是对氧气还原和氢气或甲醇氧化最具活性的材料。这些电催化剂在质子交换膜燃料电池的酸性环境下操作具有足够的稳定性。为了避免氢气中由于甲醇氧化产生的CO对电催化剂的毒性，可以用铂铑合金作为电催化剂材料。然而这些稀有金属材料会使得膜电极组件和燃料电池的造价很高，这是质子交换膜燃料电池商业化的最大障碍。对于如何能在保持质子交换膜燃料电池性能不变的基础上，减少电催化剂的量(大约0.1-0.4毫克/平方厘米)，目前已做了大量的工作。已知的工艺有将小颗粒的电催化剂合金(10微米)附着在较大的碳颗粒上(40微米)。再将这些附着有电催化剂合金颗粒的碳颗粒溶解在溶剂当中，最后用手工印刷或丝网印刷法印刷到气体扩散层上去。在这个过程当中，经常会通过多次印刷来在深度方向上增加电催化剂材料的反应面积。通过印刷或喷涂方法在电极反应区形成一个三相区域，从而获得较好的燃料电池性能。

膜电极的性能主要和催化剂层的结构有关，氧化剂和燃料必须到达催化剂颗粒才能发生反应。改进催化剂层的特征是目前燃料电池研究的主要目标，因为该目标涉及到燃料电池的性能和造价。一般而言，为了优化燃料电池催化剂层的特征，必须控制好几个参数，包括：催化剂层的厚度，应当确定合适的催化剂层厚度以控制催化层的超电势；催化层的平整度，催化层的平整度直接和膜电极组件的电性能相关，应当使催化层最大限度地和质子交换膜及气体扩散层相接触；催化剂的加载量，催化剂的加载量直接和燃料电池以及膜电极组件的造价有关；出于实际考虑，在燃料电池的设计寿命内，只要能保证燃料电池稳定的输出电能，催化剂的加载量就应当尽可能的少；催化层的孔隙率，催化层的孔隙率和气体接近催化剂颗粒的难易程度有关。孔隙率越高，气体越易到达催化剂表面参加反应。恰当的孔隙率还能使得燃料电池中反应产物水的流通更通畅；质子交换膜和气体扩散层之间的界面，质子交换膜和气体扩散层之间无缝隙的界面能提高燃料电池的性能；气体扩散层憎水性，气体扩散层要有足够好的憎水性以便能有效的去除反应产物水，从而避免电极上的满溢。

目前，已经有很多方法尝试将催化剂材料附在气体扩散层电极基件或固体质子交换膜电解质上，其中包括化学气相沉积，直接用静电吸引，或复写鼓静电复印等方法。此外，还有很多将催化剂材料附在气体扩散层上的报道，包括手工印刷，墨水喷涂，以及丝网印刷，但是这些已知的方法不适合商业应用，因为它们既不能有效的降低燃料电池的造价，又不能保证其有足够持续的稳定的质量和性能。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种可以自动加工制造燃料电池膜电极组件的设备，该设备相对现有的生产手段降低了生产成本，提高了产品质量。

本发明所述的一种制造燃料电池膜电极组件的设备，其特征在于该设备包括：

(a)一个支撑膜电极基件的平台，

(b)一个能相对于平台移动的电动机械手臂，

(c)一个连接在电动机械手臂上的超声喷雾器，超声喷雾器又和至少一个装有催化剂或电解质墨水溶液的贮存器相连，以及，

(d)一个能控制机械手臂和超声喷雾器的控制器，该控制器能按照设定好的程序来移动机械手臂，并且通过超声喷雾器来将墨水溶液喷涂到由平台支撑的膜电极基件上。

该设备可以将超声喷雾器装配到一个有平台、机械手臂和控制器的计算机数控平台上来操作。通过控制器的控制程序来按照设定好的方式移动机械手臂，并且通过超声喷雾器来将墨水溶液喷涂到由平台支撑的膜电极基件上。

超声喷雾器可以包含好几个喷嘴，而且每一个喷嘴至少连接一个墨水贮存器。作为选择，喷嘴可以是只有一个，但要能通过控制器控制一个阀门来使得喷嘴能在不同墨水贮存器切换。

控制器在喷雾过程能通过设定程序来改变喷雾的成分，形式和强度，以及通过控制机械手臂来调整超声喷雾器相对于膜电极基件的位置和速度，这样就可以使得催化层在一个或几个方向上有不同组成的分级结构，从而提高燃料电池的性能。

设备中可以包括三个贮存器，其中第一个贮存器中装有电催化剂墨水溶液，第二个墨水贮存器装有离子聚合物墨水溶液，第三个贮存器装有碳墨水溶液；这样在喷雾过程中就可以通过程序控制每一个流到超声喷雾器的墨水溶液的流量来控制喷雾成分。喷雾器还可以进一步增加一个连接在贮存器上的泵，这样就可以用控制器来通过控制泵的进料速度来控制喷雾的强度。喷雾器还可以连接一个空气喷射器，通过控制器的控制使得空气喷射器改变喷雾的形式。机械手臂能够有多个轨道运动，以便喷雾器也能独立的相对于平台在长度、宽度和高度方向上移动，这就，控制器就可以通过机械手臂来控制喷雾器在长度、宽度和高度方向上的位置和速度。

可以设定控制器的程序，使得它能在喷雾过程中最少控制其中一个的喷雾组成、喷雾强度、喷雾形式以及喷雾速度，形成一个在靠近气体扩散层界面的地方碳材料量的增加，或者在靠近电解质界面部分离子聚合物量的增加，从而在深度方向组成有分级的催化层。也可以设定控制器的程序，使得它能在喷雾过程中最少控制其中一个的喷雾组成、喷雾强度、喷雾形式、喷雾移动方向以及喷雾速度，从而形成在膜电极上相对燃料电池流场的下降流末端(而非上升流末端)有较多电催化剂，这样形成了在深度方向组成有分级的催化层。

该设备也可以配备一个加热器，放置在平台的附近，用来加热平台所支撑的膜电极基件，从而缩短喷到基件上的墨水的干燥时间。此外还可以给机械手臂和喷雾器加一个外壳，以防止从墨水溶液释放出来的烟雾污染。加热器可以通过外壳来加热外壳内的膜电极基件。

本发明通过对现有数控磨床或刨床的改进，设计出一种适用于制造燃料电池膜电极组件的喷涂设备，该设备可以同时生产多个膜电极组件，且全部采用程序控制，提高了生产效率；超声喷雾器由控制器程控调整喷雾组成、喷雾强度、喷雾形式以及喷雾速度，不仅喷涂效果好而且节约原料，降低了成本。

四、附图说明

图1是质子交换膜燃料电池膜电极组件的侧面示意图；

图2本发明的结构示意图；

图3是平台、机械手臂及超声喷雾器部件的结构示意图；

图4(a)本发明的工作流程图；

图4(b)超声喷雾器其中的一个喷嘴的工作流程图；

图5是超声喷雾器喷嘴的侧面剖视图。

五、具体实施方式

如图2所示，本发明可以被用来成批或大量的制造质子交换膜燃料电池的膜电极组件，其可以同时进行一个或几个膜电极组件的生产过程。特别是：该设备可以用来在质子交换膜基件1上喷涂催化层2，或在气体扩散层基件3上喷涂催化材料以形成催化层2，然后再在催化层2上喷涂电解质材料以形成质子交换膜电解质层1。设备的主体置于通风橱12下，以便去除喷雾器喷出来的墨水材料产生的烟雾。通风橱12周围有一玻璃外壳14包围着喷雾器10，以阻止烟雾的外流。设备的操作是由其连接的可设定程序的计算机来控制。包围起来的空间可以用加热灯或其他合适的加热源来加热(没有显示)以缩短被喷雾的膜电极基件的干燥时间，从而改进了制造时间和效率。

如图3所示，设备有一个用来支撑膜电极基件以便用超声喷雾器20来喷雾的工作平台16。电动机械手臂18可以在平台16上移动，超声喷雾器20被固定在机械手臂18上以便喷雾器的喷嘴22指向平台16，为了缩短喷涂材料的干燥时间以及提高多层喷涂的效率，平台16可以被加热，同时也可以在膜电极基件3下面或平台16上面加一个加热垫。

电动机械手臂18可以是数控刨床或数控磨床上的机械手臂，一般它们有一对延伸到平台外面纵向边缘的垂直支架23，垂直支架23能沿平台16的长度方向移动。和垂直支架23相连接，并穿过平台16横向延伸的是一个有横向轨道26的水平梁24。喷嘴组合固定架30被固定在横向轨道26上，并可以横向移动，这样就可以使喷嘴固定架30能在平台16的宽度方向上移动。

喷嘴固定架30有一个沿托架高度方向移动的垂直路径(没有显示)。托架是可移动的设在横向轨迹26上的喷嘴固定架30的组成部分。喷嘴固定架30的能在托架上垂直移动。超声喷雾器组合件22被固定在喷嘴固定架30上，这样就能通过垂直支架23的纵向运动，和在横向轨道26上的横向运动，和喷嘴固定架30的垂直运动在三个轴的方向上移动，也就是Y轴对应于平台16的长度方向，X轴对应于平台的宽度方向，Z轴对应于平台16的高度方向。

平台16上机械手臂18相对于膜电极基件3的运动，以及喷雾器20的操作是由CNC工具路径程序指令(通常是APT代码或G代码编程)的计算机来控制的。用变量输入的方法来控制机器，一般是用以保存好的程序，也就是我们熟知的工艺过程“数字控制”。一般来说，一个数值控制系统包含三个基本组成部分：(1)程序指令；(2)机器控制单元(MCU)；(3)控制机器。现代数字控制系统中，典型的机器控制单元是一个微电子计算机及其相关的控制储存程序指令的硬件，并通过转化每一个命令使其变成一种过程设备的机械行为来实现，一次只执行一个命令。

数字控制或电脑数值控制机器，有一个从机器控制单元接受指令的控制器并沿着三个坐标轴XYZ产生一个直线或弧线运动。控制三个直线运动的控制系统，我们一般称其为“三轴数字控制机”。通过使用控制数字指令控制在XY平面内的受控工具的轨迹，从而程序实现一个2-D工具路径。三轴数字控制系统也能沿Z轴方向控制受控工具的高度，从而导致三个轴同步运动。为了产生所需要的喷涂路径，机器必须至少有2.5个(最好是三个)可控制的轴能够运动。在2.5个轴的机器里，在XY轴方向运动的控制是同步的，沿Z轴方向喷雾器的位置可以分开来控制，它可以不是同步运动。有三个轴XYZ，甚至更多轴的机器，能产生更多的同步运动，从而使得喷嘴的3D路径变得更复杂，角度更多样化。

在这套设备中，一个商业化的可以用来在电极的PEM(质子交换膜)或GDL(气体扩散层)基件上沉积催化剂或者聚合物材料NC、CNC系统被采用。通过使用广泛应用的工业机器和成熟工艺具备的可靠性优点，该设备能非常准确灵活的全自动生产膜电极组件。特别是电脑数值控制机器的控制器31，机械手臂18和平台16全部是从商业化的电脑数值控制三轴机器中获得的，例如数控刨床或数控磨床。数控刨床或数控磨床中的动力传动系和转轴在该发明中是没有用处的，可以去掉，从而大大简化了机器并降低了成本。工具和工件之间的相对运动是由和控制器31相连的计算机来控制的。控制器31同时和机械手臂相连。通过设定计算机14的路径指令来生产制造膜电极组件。

如图4(a)和图5所示，超声喷雾器20包含三个喷嘴22，一个超声波发生器和放大器，用导管36和喷嘴22相连的贮存器。该装置中有三个喷嘴，作为可选项，空气喷射器可以固定在靠近喷嘴22的地方。这些空气喷射器都和空气压缩机相连，通过空气压缩机传送的压缩空气流能使喷嘴22中出来的墨水成型。空气压缩机可以由计算机14来控制，也可以手动控制。每一个喷嘴22都有液体进料管32，在进料管进口末端用一软导管36和墨水贮存器相连。液体进料管32沿喷嘴22直到喷嘴雾化表面出口38。液体进料管32周围环绕着一个片状陶瓷压电变频器，作为一个超声发生器，通过将从电连接器上接收到的高频电信号转化为同频率的机械振动。该振动通过一对钛柱在雾化表面上被扩大，沿喷嘴22长度方向产生一个横向波，该波沿喷嘴22长度方向上行进时会经历逐步的转化和放大。由超声雾化喷嘴22所产生的均匀的低速率的喷雾和其他的喷雾工艺不同，它专门用于在质子交换膜或气体扩散层基件上沉积催化剂或聚合材料。跟其他喷雾工艺一样，因为由该超声雾化工艺产生的液滴在基件上趋向于稳定沉积而不会反弹外溅，从而使得超范围喷涂量明显减少。这样便有效的节省了昂贵的催化剂材料。由于外界空气流会对喷雾的方向产生很大影响，所以必须严格控制该喷雾过程。此外，由于超声雾化不是取决于使液体通过小孔，所以液体的出口可以比一般的压力喷嘴大些，从而减少了催化剂墨水浆堵塞喷嘴的可能性。

如图4(b)所示，发明的另一设备中可以只有一个墨水喷嘴22，该喷嘴用墨水导管36与好几个墨水贮存器相连。在这套设备中，每一个墨水贮存器的墨水导管上配有墨水选择器。计算机14通过对墨水选择器和控制阀的调控来控制喷嘴22的喷雾，以及对墨水选择器的调控来控制墨水贮存器的开关。

Claims (6)

1、一种制造燃料电池膜电极组件的设备，其特征在于该设备包括：

(a)一个支撑膜电极基件的平台(16)，

(b)一个能相对于平台(16)移动的电动机械手臂(18)，

(c)一个连接在电动机械手臂(18)上的超声喷雾器(20)，超声喷雾器(20)又和至少一个装有催化剂或电解质墨水溶液的贮存器相连，

(d)一个能控制机械手臂(18)和超声喷雾器(20)的控制器(31)，该控制器(31)能按照设定好的程序来移动机械手臂(18)，并且通过超声喷雾器(20)来将墨水溶液喷涂到由平台(16)支撑的膜电极基件上。

2、根据权利要求1所述的制造燃料电池膜电极组件的设备，其特征在于超声喷雾器(20)包括一组喷嘴(22)，一组中的每一个喷嘴(22)又和至少一个贮存器相连。

3、根据权利要求1所述的制造燃料电池膜电极组件的设备，其特征在于超声喷雾器(20)只有一个喷嘴(22)，在喷嘴(22)和贮存器之间设有一个阀门，阀门通过控制器(31)进行控制使得喷嘴能在不同贮存器之间切换。

4、根据权利要求1或2所述的制造燃料电池膜电极组件的设备，其特征在于贮存器有三个，其中第一个贮存器中装有电催化剂墨水溶液，第二个贮存器中装有离子聚合物墨水溶液，第三个贮存器装有碳墨水溶液；这样在喷雾过程中就可以通过控制器(31)控制每一个流到超声喷雾器的墨水溶液的流量来调整喷雾成分。

5、根据权利要求1或2所述的制造燃料电池膜电极组件的设备，其特征在于超声喷雾器(20)与贮存器之间设有泵，控制器通过控制泵的进料速度来调整喷雾的强度。

6、根据权利要求1或2所述的制造燃料电池膜电极组件的设备，其特征在于超声喷雾器(20)还连接一个空气喷射器，通过控制器的控制使得空气喷射器改变喷雾的形式。

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