CN206451759U - 一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置，包括电解质膜输出系统、电解质膜传送系统、膜回收系统、催化剂浆料输送系统和至少两组加热系统和喷头；至少两组中，一组加热系统和喷头分别位于电解质膜传送系统前端电解质膜的两面；另一组加热系统和喷头分别位于电解质膜传送系统后端电解质膜的两面；本实用新型实现了一次性喷涂电解质膜两面的涂层；实现了至少两组加热系统、喷头同时工作；实现了两种催化剂浆料同时输送；减少电解质膜固定次数，实现膜电极量产；同步实现两片保护膜同时与电解质膜合体；提高膜电极成品良品率；显著提高喷涂浆料利用率，节约昂贵浆料的用量；本实用新型操作方便，可满足科研单位、厂家膜电极量产的需求。

Description

一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置

技术领域

本实用新型属于燃料电池膜电极制备装置技术领域，特别涉及一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置。

背景技术

燃料电池膜电极常用制备工艺有喷涂、刷涂、刮涂、丝网印刷、拉浆等方法。常用喷涂设备根据功能可分为手工喷涂和自动喷涂，二者原理一致，自动喷涂主要是安装在自动化生产线上使用，如机器人或机械手臂。常用喷涂方式只能满足小面积、低产量膜电极制备，因此手动喷涂和自动喷涂设备应用范围有限。

传统的喷涂装置存在的不足之处：不能实现连续的喷涂；膜电极两面的喷涂层至少分两次完成；每喷涂一次，需拆装膜电极定位夹具；整个喷涂过程中，手工操作步骤太多，机械化程度低。这四点使得传统膜电极喷涂设备生产效率底，而且废品率高。

对于燃料电池技术领域的薄膜电极，其表面催化剂浆料涂层的微观结构、厚度均匀性等因素直接决定了电池的效率和寿命，因此这类涂层对喷涂质量的要求很高。要使这类涂层达到量产化，在严格控制喷涂的工艺条件前提下，实现涂层的高质量和一致性，还需对喷涂装置的设计提出了更高的要求：实现一次性喷涂薄膜两面的涂层；实现两组加热系统、两组喷头同时工作；实现两种催化剂浆料同时输送；减少薄膜固定次数，实现膜电极量产；同步实现两片膜电极保护层对成品保护膜保护；提高膜电极成品良品率。

专用于量产高质量平面薄层膜电极的燃料电池膜电极辊对辊装置，目前还未见报道。本实用新型涉及一种燃料电池膜电极辊对辊装置及方法，所要解决以上传统喷涂装置无法实现的技术及功能。

实用新型内容

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置，以满足一次性电解质膜正反两面喷涂催化剂。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置，包括电解质膜输出系统、电解质膜传送系统、膜回收系统、催化剂浆料输送系统和至少两组加热系统和喷头；至少两组中，一组加热系统和喷头分别位于电解质膜传送系统前端电解质膜的两面；另一组加热系统和喷头分别位于电解质膜传送系统后端电解质膜的两面。

作为本实用新型的进一步限定，喷头垂直于电解质膜运动的方向进行往复式喷涂；膜回收系统将两片保护膜夹在涂覆催化剂后的电解质膜的两面，并一同卷绕到膜回收系统中的主回收辊轴上；电解质膜自电解质膜输出系统绕出，经过电解质膜传送系统后绕至膜回收系统中。

作为本实用新型的进一步限定，两组加热系统不在电解质膜的同侧。

作为本实用新型的进一步限定，加热系统包括红外加热或接触式加热模块。

作为本实用新型的进一步限定，两组喷头不在电解质膜的同侧。

作为本实用新型的进一步限定，喷头采用气动喷头或超声喷头。

作为本实用新型的进一步限定，喷头喷出的催化剂为雾化物。

作为本实用新型的进一步限定，两组喷头分别通过气管连接催化剂浆料输送系统，催化剂浆料输送系统为喷头提供催化剂浆料。

一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置，包括：

电解质膜输出系统，包括用于缠绕电解质膜本体的主输出辊轴和两个用于缠绕保护膜的副输出辊轴，

电解质膜传送系统，包括若干组成对的传送辊轴，

至少两组相互相对设置的加热系统和喷头，

膜回收系统，包括主回收辊轴和两个副回收辊轴；

其中：缠绕于主输出辊轴的电解质膜本体包括电解质膜和位于电解质膜正反面的保护膜，电解质膜本体自主输出辊轴绕出，其中位于电解质膜正反面的保护膜分别绕于两个副输出辊轴上，电解质膜依次经过若干组成对的传送辊轴，然后电解质膜与两个副回收辊轴上缠绕的保护膜一同缠绕于主回收辊轴，形成电解质膜本体；至少一组加热系统设置于电解质膜的正面，喷头设置于电解质膜的反面，至少一组加热系统设置于电解质膜的反面，喷头设置于电解质膜的正面，所述喷头连接有催化剂浆料输送系统。

作为本实用新型的进一步限定，所述加热系统为红外加热器或接触式加热模块，所述加热系统外接电源；所述喷头为气动喷头或超声喷头，喷头喷出的催化剂为雾化物。

作为本实用新型的进一步限定，所述加热系统和喷头均垂直于电解质膜运动的方向。

作为本实用新型的进一步限定，所述催化剂浆料输送系统为催化剂浆料注射泵，所述催化剂浆料注射泵通过管路连接喷头。

作为本实用新型的进一步限定，每个喷头对应连接一个催化剂浆料注射泵。

作为本实用新型的进一步限定，电解质膜从每对传送辊轴之间穿过。

作为本实用新型的进一步限定，相邻的每组加热系统之间的电解质膜通过至少一对传送辊轴；与电解质膜传送系统相邻的加热系统之间的电解质膜通过至少一对传送辊轴；与膜回收系统相邻的加热系统之间的电解质膜通过至少一对传送辊轴。

作为本实用新型的进一步限定，主输出辊轴和两个副输出辊轴的线速度相同，主回收辊轴和两个副回收辊轴的线速度相同。

作为本实用新型的进一步限定，所述两个副输出辊轴位于主输出辊轴电解质膜传送方向前端的上下两面，两个副回收辊轴位于主回收辊轴电解质膜传送方向后端的上下两面。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

a.实现一次性喷涂薄膜两面的凃层；

b.实现两组加热系统、两组喷头同时工作；

c.实现两种催化剂浆料同时输送；

d.减少薄膜固定次数，实现膜电极量产；

e.同步实现两片膜电极保护层对成品保护膜保护；

f.提高膜电极成品良品率；

g.显著提高喷涂浆料利用率，节约昂贵浆料的用量；

本实用新型操作方便，可满足科研单位、厂家膜电极量产的需求。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

其中：1-电解质膜输出系统，2-电解质膜传送系统，3-加热系统，4-喷头，5-催化剂浆料输送系统，6-膜回收系统，7-主输出辊轴，8-副输出辊轴，9-传送辊轴，10-主回收辊轴，11-副回收辊轴，12-电解质膜本体，13-电解质膜，14-保护膜。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示，一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置，包括电解质膜输出系统1、电解质膜传送系统2、膜回收系统6、催化剂浆料输送系统5和至少两组加热系统3和喷头4；至少两组中，一组加热系统3和喷头4分别位于电解质膜传送系统2前端电解质膜的两面；另一组加热系统3和喷头4分别位于电解质膜传送系统2后端电解质膜的两面；喷头4垂直于电解质膜运动的方向进行往复式喷涂；膜回收系统6将两片保护膜夹在涂覆催化剂后的电解质膜的两面，并一同卷绕到膜回收系统6中的主回收辊轴10上；电解质膜自电解质膜输出系统1绕出，经过电解质膜传送系统2后绕至膜回收系统6中。两组加热系统3不在电解质膜的同侧。加热系统3包括红外加热或接触式加热模块。两组喷头4不在电解质膜的同侧。喷头4采用气动喷头或超声喷头。喷头4喷出的催化剂为雾化物。两组喷头4分别通过气管连接催化剂浆料输送系统5，催化剂浆料输送系统5为喷头4提供催化剂浆料。

一种燃料电池膜电极辊对辊制备方法，电解质膜经过电解质膜传送系统2，至少两组喷头4分别对电解质膜的两面喷涂催化剂。

本实用新型的一个优选方案，一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置，包括：电解质膜输出系统1，包括用于缠绕电解质膜本体13的主输出辊轴7和两个用于缠绕保护膜14的副输出辊轴8，电解质膜传送系统2，包括若干组成对的传送辊轴9，至少两组相互相对设置的加热系统3和喷头4，膜回收系统6，包括主回收辊轴10和两个副回收辊轴11；其中：缠绕于主输出辊轴7的电解质膜本体12包括电解质膜13和位于电解质膜13正反面的保护膜14，电解质膜本体12自主输出辊轴7绕出，其中位于电解质膜13正反面的保护膜14分别绕于两个副输出辊轴8上，电解质膜13依次经过若干组成对的传送辊轴9，然后电解质膜13与两个副回收辊轴11上缠绕的保护膜14一同缠绕于主回收辊轴10，形成电解质膜本体12；至少一组加热系统3设置于电解质膜13的正面，喷头4设置于电解质膜13的反面，至少一组加热系统3设置于电解质膜13的反面，喷头4设置于电解质膜13的正面，所述喷头4连接有催化剂浆料输送系统5。

所述加热系统3为红外加热器或接触式加热模块，所述加热系统3外接电源；所述加热系统为现有技术，只要能够实现加热散发热量至电解质膜13的加热装置均可；所述喷头4为气动喷头或超声喷头，喷头喷出的催化剂为雾化物，所述喷头4也为现有技术，只要能够实现雾化喷射，且可调节喷雾气流的喷头均可。所述加热系统3和喷头4均垂直于电解质膜13运动的方向，每组加热系统3和喷头4分别位于电解质膜13的正反面。

所述催化剂浆料输送系统5为催化剂浆料注射泵，所述催化剂浆料注射泵通过管路连接喷头4；所述喷头4的前端为不锈钢注射针，管路为聚四氟乙烯管，气动注射泵内装有催化剂，气动注射泵可以调节推进速度，喷头4上设置有喷雾调节阀，用于调节喷雾气流的压力。

每个喷头4对应连接一个催化剂浆料注射泵。电解质膜13从每对传送辊轴9之间穿过。

相邻的每组加热系统3之间的电解质膜13至少通过一对传送辊轴9；与电解质膜传送系统2相邻的加热系统3之间的电解质膜13至少通过一对传送辊轴9；与膜回收系统6相邻的加热系统3之间的电解质膜13至少通过一对传送辊轴9。主输出辊轴7和两个副输出辊轴8的线速度转速相同，主回收辊轴10和两个副回收辊轴11的线速度转速相同。所述两个副输出辊轴8位于主输出辊轴7电解质膜13传送方向前端的上下两面，两个副回收辊轴11位于主回收辊轴10电解质膜13传送方向后端的上下两面。

本实用新型一个优选制备方法，一种燃料电池膜电极辊对辊制备方法，缠绕于主输出辊轴7的电解质膜本体12包括电解质膜13和位于电解质膜13正反面的保护膜14，电解质膜本体12自主输出辊轴7绕出，其中位于电解质膜13正反面的保护膜14分别绕于两个副输出辊轴8上，电解质膜13依次经过若干组成对的传送辊轴9，然后电解质膜13与两个副回收辊轴11上缠绕的保护膜14一同缠绕于主回收辊轴10，形成电解质膜本体12；主输出辊轴7与主回收辊轴10之间的电解质膜13正反两面均通过喷头4喷涂有催化剂层。

实施例1

将纳米级的铂碳催化剂浆料利用本实用新型涉及的一种燃料电池膜电极辊对辊装置，喷涂于质子交换膜表面，用于制备燃料电池膜电极中的催化层。具体的使用步骤为：

1、将质子交换膜缠绕在膜输出系统1中的主输出辊轴上，用牵引膜将质子交换膜通过膜输送系统2定位好，将质子交换膜正反两面的保护膜缠绕在膜输出系统1中的副输出辊轴上，再把两片保护膜分别和牵引膜固定，最后缠绕在膜回收系统6的副回收辊轴上；

2、将一定体积的催化剂浆料，装至催化加浆料输送系统5中的注射泵中，连接聚四氟乙烯管后启动注射泵，将催化剂浆料推进到喷头4前端的不锈钢注射针中，开始喷涂；

3、针对不同配方的催化剂浆料，可以通过喷雾调节阀调节喷雾气流的压力和控制催化剂浆料输送系统5中的气动注射泵的推进速度，控制喷雾的浆料流量。

纳米铂碳催化剂浆料首先通过喷头，在气动力和适当的喷射作用下，浆料在表面张力和惯性作用力的作用下而变得很不稳定，破碎成丝或带状，与空气相对运动产生强烈的振动，液体自身的表面张力及粘性力的作用逐渐减弱，液膜长度变短、形状发生扭曲，在气动力的作用下破碎为小液滴，在更高的压力作用下液体射流速度更大，液膜离开喷口即被雾化。纳米铂碳催化剂浆料几乎完全被喷到质子交换膜表面，此时加热系统3把浆料中的溶剂迅速蒸发，从而形成了一层高质量的催化剂薄层，并实现了极高的浆料利用率。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池膜电极辊对辊制备装置，其特征在于：包括电解质膜输出系统（1）、电解质膜传送系统（2）、膜回收系统（6）、催化剂浆料输送系统（5）和至少两组加热系统（3）和喷头（4）；至少两组中，一组加热系统（3）和喷头（4）分别位于电解质膜传送系统（2）前端电解质膜的两面；另一组加热系统（3）和喷头（4）分别位于电解质膜传送系统（2）后端电解质膜的两面。

2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极辊对辊制备装置，其特征在于：两组加热系统（3）不在电解质膜的同侧。

3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极辊对辊制备装置，其特征在于：加热系统（3）包括红外加热或接触式加热模块。

4.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极辊对辊制备装置，其特征在于：两组喷头（4）不在电解质膜的同侧。

5.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极辊对辊制备装置，其特征在于：喷头（4）采用气动喷头或超声喷头。

6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极辊对辊制备装置，其特征在于：喷头（4）喷出的催化剂为雾化物。

7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极辊对辊制备装置，其特征在于：两组喷头（4）分别通过气管连接催化剂浆料输送系统（5），催化剂浆料输送系统（5）为喷头（4）提供催化剂浆料。