CN202516731U - 制备燃料电池膜电极用的喷涂机 - Google Patents

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谢光有
李婷
房红琳
刘红丽
张占奎
徐进峰
汤浩
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Abstract

本实用新型公开了一种制备燃料电池膜电极用的喷涂机。该喷涂机包括平行设置的喷头(1)和辐射热源(3),喷头(1)的喷射方向和辐射热源(3)的辐射方向相同,且辐射热源(3)沿着喷头(1)的运动轨迹运动。本实用新型的喷涂机的辐射热源与喷头平行地设置,在进行喷涂时,使辐射热源跟随喷头运动,利用辐射热源及时地对喷涂到质子交换膜的催化剂溶液集中加热,使其中的溶剂快速挥发,尽可能减少溶剂向质子交换膜中渗入,有效地避免了质子交换膜由于溶剂的渗入引起的膨胀进而导致质子交换膜褶皱变形的问题,获得了表面平整的催化剂层,进而提高了膜电极的性能及使用寿命。

Description

制备燃料电池膜电极用的喷涂机
技术领域
本实用新型涉及喷涂装置领域,尤其涉及一种制备燃料电池膜电极用的喷涂机。
背景技术
燃料电池是一种能够直接将燃料的化学能高效、清洁地转化成为电能的装置。质子交换膜燃料电池更以其快速启动、可室温运行、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率高等独特优势,成为适应性最广的燃料电池类型。
膜电极作为质子交换膜燃料电池的核心部件,由质子交换膜、电极催化剂层和扩散层材料组成的三明治式结构组件构成。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、导电性及传质能力等特点,而这些性质与膜电极的制备方法密切相关,其中催化剂层的制备方法显得尤为重要。
目前,人们一般采用CCM(Catalyst Coated Membrane)技术制备燃料电池膜电极的催化剂层,即通过直接把催化剂涂在质子交换膜上干燥后形成电极催化剂层,最常用的是利用喷涂机直接将催化剂溶液均匀涂覆于质子交换膜表面,如图1所示,将质子交换膜4’置于膜固定装置上展开,利用加热装置将该质子交换膜4’加热到一定温度,利用喷涂机将催化剂溶液喷涂在质子交换膜4’上,现有技术中一般将膜固定装置和加热装置合为一体形成电加热板5’,当催化剂溶液经喷头1’喷涂于质子交换膜4’表面上时在电加热板5’的作用下使溶剂挥发,获得和膜紧密结合的催化层。但是由于质子交换膜4’的吸湿性强,电加热板5’位于质子交换膜4’的下方,不能使催化剂溶液中的溶剂快速挥发,致使催化剂溶液中的溶剂渗入质子交换膜4’中,使其快速溶胀,造成质子交换膜4’已喷涂区域膨胀变形,进而导致所制备的催化层表面发皱,平整性差,进一步导致对膜电极的性能和寿命产生影响。
由此可见,喷涂催化剂时依靠底部的加热难以满足使催化剂溶液中的溶剂快速挥发的要求,以至使溶剂渗透到质子交换膜中使其膨胀变形进而导致催化剂层的平整性差的问题,因此,亟需一种使溶剂快速挥发的设备来解决这一问题。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种制备燃料电池膜电极用的喷涂机,用于解决现有技术催化剂溶液的溶剂挥发速度慢引起质子交换膜膨胀变形的问题。
根据本实用新型的一个方面,提供了一种制备燃料电池膜电极用的喷涂机,包括平行设置的喷头和辐射热源,喷头的喷射方向和辐射热源的辐射方向相同,且辐射热源沿着喷头的运动轨迹运动。
进一步地,上述喷头的喷射面积和辐射热源的辐射面积相同。
进一步地,上述辐射热源和喷头的间距为喷头在质子交换膜上形成的最大喷涂半径的1~5倍。
进一步地,上述喷涂机还包括用以支撑并加热质子交换膜的电加热平台,喷头的喷射方向和辐射热源的辐射方向设置为朝向电加热平台的方向,且喷头和辐射热源相对电加热平台可移动。
进一步地,上述喷涂机还包括驱动装置,驱动装置驱动喷头和辐射热源相对电加热平台移动。
进一步地,上述喷头和辐射热源连接在同一支撑杆上,驱动装置驱动支撑杆相对电加热平台移动。
进一步地,上述喷头和辐射热源连接在支撑杆上,且喷头和辐射热源相对位置关系可调。
进一步地,上述喷头和辐射热源分别相对支撑杆位置可调地连接在支撑杆上。
进一步地,上述辐射热源为辐射强度可调的辐射热源。
进一步地,上述辐射热源和喷头的控制开关相同或不同。
本实用新型的喷涂机的辐射热源与喷头平行地设置,在进行喷涂时,使辐射热源跟随喷头运动,利用辐射热源及时地对喷涂到质子交换膜的催化剂溶液集中加热,使其中的溶剂快速挥发,尽可能减少溶剂向质子交换膜中渗入,有效地避免了质子交换膜由于溶剂的渗入引起的膨胀进而导致质子交换膜褶皱变形的问题,获得了表面平整的催化剂层,进而提高了膜电极的性能及使用寿命。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图,对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本实用新型,附图示出了本实用新型的优选实施例,并与说明书一起用来说明本实用新型的原理。图中:
图1示出了现有技术中喷涂催化剂的示意图;以及
图2示出了根据本实用新型的喷涂机喷涂催化剂的示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型的实施例中的技术方案进行详细的说明,但如下实施例以及附图仅是用以理解本实用新型,而不能限制本实用新型,本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
在本实用新型一种典型的实施例中,提供了一种制备燃料电池膜电极用的喷涂机,如图2所示,该喷涂机包括平行设置的喷头1和辐射热源3,喷头1的喷射方向和辐射热源3的辐射方向均朝向质子交换膜4,辐射热源3沿着喷头1的运动轨迹运动。
本实用新型的喷涂机的辐射热源3与喷头1平行地设置,并使辐射热源3跟随喷头1运动,利用辐射热源3及时地对喷涂到质子交换膜4的催化剂溶液集中加热,使其中的溶剂快速挥发,尽可能减少溶剂向质子交换膜中渗入,有效地避免了质子交换膜由于溶剂的渗入引起的膨胀进而导致质子交换膜褶皱变形的问题,获得了表面平整的催化剂层,进而提高了膜电极的性能及使用寿命。
优选地,本实用新型的喷头1的喷射面积和辐射热源3的辐射面积相同。在这种结构中辐射热源3的辐射面积与喷头1的喷射面积相同,可以使得喷涂到质子交换膜4上的催化剂溶液都能及时的得到集中加热,促进整个喷涂面积的均匀快速干燥。
在上述制备燃料电池膜电极用的喷涂机中辐射热源3与喷头2只需平行地设置,使得辐射热源3沿着喷头1的运动轨迹运动即可,对于辐射热源3与喷头2之间的距离没有严格的要求,但是为了更好地实现干燥效果。优选地,辐射热源3与喷头1的距离为喷头1在质子交换膜4上形成的最大喷涂半径的1~5倍。当辐射热源3与喷头1的距离小于喷头最大喷涂半径时,喷涂时容易对辐射热源3造成污染;当辐射热源3与喷头1的距离大于5倍的最大喷涂半径时,两者距离较远,可能会导致不能及时地对刚刚喷涂的区域进行加热,进而降低催化剂溶液中的溶剂挥发速度。
在本实用新型的一种优选的实施例中,上述制备燃料电池膜电极用的喷涂机还包括一个电加热平台5,喷头1的喷射方向和辐射热源3的辐射方向设置为朝向电加热平台5的方向,且喷头1和辐射热源3相对电加热平台5可移动。该电加热平台5可以从底部对质子交换膜进行均匀加热。将电加热平台5与辐射热源同时用于加热喷涂到质子交换膜上表面的催化剂溶液,底部加热与表面集中加热同时进行,进一步加快了催化剂溶液中溶剂的挥发速度,从而可以获得表面更加平整的催化剂层。
在本实用新型中电加热平台5可以是单独设置,与上述辐射热源3和喷头2配合使用,也可以将电加热平台5与辐射热源3和喷头2设置为具有连接关系的一体机,这种一体机,不但可以节约设备投资,还可以简化操作流程、便于控制。
在本实用新型的一种优选的实施例中,上述制备燃料电池膜电极用的喷涂机还包括驱动装置,该驱动装置可用以驱动喷头1和辐射热源3相对电加热平台5移动。在这种结构中利用驱动装置控制喷头1和辐射热源3的运动,可以增强机械的自动化设置,简化操作流程,便于两者的相对运动速度的控制。
为了进一步增加上述制备燃料电池膜电极用的喷涂机中喷头1和辐射热源3的运动的一致性,优选将喷头1和辐射热源3连接在同一支撑杆2上。并使驱动装置驱动支撑杆2相对电加热平台5移动。在这种连接方式中,辐射热源3与喷头1同时设置在支撑杆2上,在驱动装置驱动支撑杆2移动的过程中,喷头1和辐射热源3进行同步运动,其有利于辐射热源3对经喷头1刚刚喷涂的区域进行加热,以保证在不影响其他区域的质子交换膜的状态的同时促进溶剂的快速挥发。
优选地,将上述制备燃料电池膜电极用的喷涂机中连接在支撑杆2上的喷头1和辐射热源3,设置为相对位置关系可调的结构。在这种结构的设置,有利于随时调节喷头1的喷涂面积和辐射热源3的辐射面积,以增加该喷涂机喷涂的灵活性,减少因改变喷涂速度,所引起的辐射面积与喷涂面积不相对应,无法实现相应效果的不足。在实际操作过程中,可根据喷头1喷涂量的大小,调整喷头1和辐射热源3之间的距离。当喷涂量减小时,使喷头1和辐射热源3靠近减小两者的间距;当喷涂量增大时,使喷头1和辐射热源3远离扩大两者的间距。这种结构的改进既可以保证对全部喷涂面积的完整干燥,又避免了因催化剂溶液喷涂在辐射热源3上所造成污染。
优选地,在上述制备燃料电池膜电极用的喷涂机中喷头1和辐射热源3分别相对支撑杆2位置可调地连接在支撑杆2上。将喷头1和辐射源3设置为相对于支撑杆2的位置可调的结构,可以实现实际喷涂过程中操作的灵活性,通过改变喷头1和辐射热源3相对于支撑杆2距离,变相的改变喷头1和辐射热源3相对于所喷涂的质子交换膜的距离,从而可以满足不同质子交换膜和不同催化剂溶液对该距离的要求,以实现更好的喷涂效果和及时干燥的效果。
在制作膜电极时,所使用的催化剂溶液的浓度因膜电极性能的要求不同,而且,所使用的喷头1的喷涂能力也有所不同,为了满足使催化剂溶液中的溶剂快速挥发的要求,辐射热源3的辐射强度也会有所改变。因此,优选地,本实用新型的辐射热源3的辐射强度可调。当催化剂的浓度较低时,喷涂量较大时,将辐射热源3的辐射强度适当调高;当催化剂的浓度较高,喷涂量较小时,将辐射热源3的辐射强度适当调低,本领域技术人员通过简单的试验即可将辐射热源3调节到合适的辐射强度值。
在本实用新型一种具体的实施例中,辐射热源3和喷头1的控制开关相同或不同。辐射热源3和喷头1由同一个控制开关控制时,同时开启,刚刚喷涂的区域得到及时加热,使溶剂快速挥发;两者同时关闭,避免了辐射热源3对其他未喷涂区域造成影响。辐射热源3和喷头1由不同的控制开关控制时,根据实际需要控制喷涂时辐射热源3是否需要开启,而且,当催化剂溶液的浓度较低时,其中的溶剂含量较高,需要较多的热源辐射才能挥发完全,因此,当喷涂完成后,适当延长辐射时间使溶剂及时地挥发完全。
以上仅为本实用新型的优选实施例而已,并不用于限制本实用新型,对于本领域的技术人员来说,本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备燃料电池膜电极用的喷涂机,其特征在于,包括平行设置的喷头(1)和辐射热源(3),所述喷头(1)的喷射方向和所述辐射热源(3)的辐射方向相同,且所述辐射热源(3)沿着所述喷头(1)的运动轨迹运动。
2.根据权利要求1所述的喷涂机,其特征在于,所述喷头(1)的喷射面积和所述辐射热源(3)的辐射面积相同。
3.根据权利要求1所述的喷涂机,其特征在于,所述辐射热源(3)和所述喷头(1)的间距为所述喷头(1)在质子交换膜(4)上形成的最大喷涂半径的1~5倍。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的喷涂机,其特征在于,还包括用以支撑并加热质子交换膜(4)的电加热平台(5),所述喷头(1)的喷射方向和所述辐射热源(3)的辐射方向设置为朝向所述电加热平台(5)的方向,且所述喷头(1)和辐射热源(3)相对所述电加热平台(5)可移动。
5.根据权利要求4所述的喷涂机,其特征在于,还包括驱动装置,所述驱动装置驱动所述喷头(1)和辐射热源(3)相对所述电加热平台(5)移动。
6.根据权利要求5所述的喷涂机,其特征在于,所述喷头(1)和辐射热源(3)连接在同一支撑杆(2)上,所述驱动装置驱动所述支撑杆(2)相对所述电加热平台(5)移动。
7.根据权利要求6所述的喷涂机,其特征在于,所述喷头(1)和辐射热源(3)连接在所述支撑杆(2)上,且所述喷头(1)和辐射热源(3)相对位置关系可调。
8.根据权利要求6所述的喷涂机,其特征在于,所述喷头(1)和辐射热源(3)分别相对所述支撑杆(2)位置可调地连接在所述支撑杆(2)上。
9.根据权利要求4所述的喷涂机,其特征在于,所述辐射热源(3)为辐射强度可调的辐射热源。
10.根据权利要求4所述的喷涂机,其特征在于,所述辐射热源(3)和所述喷头(1)的控制开关相同或不同。
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