一種製備燃料電池膜電極的靜電噴塗裝置的製作方法

2023-05-27 18:32:01

本發明涉及質子交換膜燃料電池膜電極的製備，具體地說是一種用於質子交換膜燃料電池催化膜電極製備的靜電噴塗裝置。可以通過靜電的控制，實現對批量製備催化層的平整度、均一性等進行控制，提高催化劑漿料的利用率，結合xy軸伺服機，抽真空加熱平臺，漿料供應等輔助設備，可以實現催化膜電極的批量生產。

背景技術：

質子交換膜燃料電池是一種以氫氣為燃料，能夠有效的將其化學能轉化為電能的發電裝置，它的能量密度高，啟動速度快，操作溫度低，以及環境友好等特點，決定了它非常適合作為電動汽車動力源、可攜式小型電源以及水下動力系統電源等。因而，自上世紀九十年代以來，受到各國政府和能源、汽車、家電和軍工等各方面的廣泛關注，技術發展迅速。

膜電極是質子交換膜燃料電池的核心部件，是電池內部化學反應發生的地方。膜電極的製備方法以及結構改性一直都是各大車廠以及研究機構的研究熱點。目前，豐田、本田、大眾等汽車公司都先後推出了自己的燃料電池汽車，其核心部件都採用的是催化膜電極結構。相比於目前最先進的膜電極結構-有序化的納米薄層催化劑膜電極，催化膜電極儘管Pt擔量略高，但是仍然是目前最貼近實用化的電極結構。

催化膜電極，即將催化劑與Nafion樹脂混合製備到質子交換膜表面形成催化層，其製備工藝包括轉印法和直接噴塗法兩種。轉壓法是將催化劑漿料首先噴塗/印刷到一種中間介質上，然後再通過加熱加壓轉印到質子交換膜上，這種工藝雖然相對繁瑣，但是有效避免了膜遇到溶劑時發生溶脹變形，而且經過熱壓過程，催化層與膜接觸較好。另一種製備方法是直接噴塗法，即將料液直接噴塗到質子交換膜上製備成膜電極，這種製備方法相對轉印法工序簡單，但是噴塗過程中漿料的飛濺容易造成浪費，而且所形成的催化層的三相界面仍然是無序的，容易導致催化劑利用率的降低。

因此，如何設計一種能夠實現高效利用催化劑漿料、並同時實現對催化層結構進行控制的噴塗裝置，對於發展催化膜型膜電極具有非常重要的意義。

相關專利

作為本發明的前期工作基礎，授權號為ZL200910248483.6的專利提出了一種製備燃料電池催化膜電極的自動噴塗裝置，包括工作檯、噴槍，所述工作檯為抽真空熱臺，其為空心箱體，箱體內設置有電加熱元件，箱體通過管路與抽真空系統相連，上表面呈平板狀，在平板狀的上表面開設有能入箱體內腔的孔；所述噴槍通過管路與噴塗機儲液料鬥相連，在料鬥的底部或側壁上設置有超聲震蕩器；噴槍噴嘴處設置有控制溫度梯度的傘狀加熱罩。

作為本發明的前期工作基礎，申請號為201310090903.9的專利提出了一種燃料電池膜電極的製備方法，在噴塗漿料的過程中，通過靜電發生器使漿料帶上靜電荷，進而提高漿料與膜之間的吸附力，改善催化層的Pt利用率，實現電極性能提高和Pt擔量的降低。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種製備質子交換膜燃料電池用催化膜電極的靜電噴塗裝置。針對已有催化膜電極自動噴塗機遇到的漿料利用率低，催化層結構無法控制的問題，將已有的靜電噴塗製備催化膜技術引入到自動噴塗裝置中，形成一種集成式的發明，以實現催化膜電極自動化噴塗過程的高效、可控。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

在現有自動噴塗機的基礎上對外殼、工作檯、噴槍、供料裝置等進行改進；

一種製備燃料電池膜電極的靜電噴塗裝置，包括外殼、真空加熱臺、漿料攪拌供應裝置、靜電噴槍、靜電發生器、xy軸機械裝置，

所述外殼與地線連接，用於把靜電荷導出，避免對操作人員的傷害。外殼頂端連接排風裝置，用於將噴塗產生的有害氣體排出，外殼底端設有進風口，用於向外殼中通入惰性氣體保護氣，避免噴塗過程中有機醇類揮發氣遇到靜電荷發生燃燒、爆炸的危險。

所述真空加熱臺，其與地線連接，將噴塗產生的靜電荷導出，避免質子膜表面殘存的靜電荷對膜造成破壞。

所述漿料攪拌供應裝置，其由料杯、攪拌器、輸送泵、矽膠軟管組成，其中攪拌器和輸送泵外殼連接地線，攪拌器對料杯中的漿料進行高速攪拌，輸送泵按照一定流量將漿料輸送到噴槍的噴嘴處。

所述噴槍為靜電噴槍，由靜電發生器產生靜電荷輸送到噴槍噴嘴處，由漿料供應裝置將催化劑漿料輸送到噴嘴處，帶有靜電荷的漿料經噴嘴霧化，沉積到鋪於加熱平臺表面的質子交換膜上，由xy軸機械裝置帶動噴槍按照特定的圖形進行多次往復噴塗。

所述靜電發生器外殼連接地線，可以調節產生靜電荷的電壓高低。

所述xy軸機械裝置，與地線連接，並可以控制噴槍的行進速度和路線。

噴槍噴出的料液以噴嘴為圓心向周圍散射，沉積到加熱臺的噴塗面為直徑在0.5-2cm的圓形，為了達到一定的噴塗厚度和一定的噴塗面積，本發明根據配製催化劑漿料的濃度，調節噴槍噴塗流量，噴槍採用多次往復的方式實現不同面積、不同厚度膜電極的噴塗。

為了提高噴塗效率，噴塗裝置內可以安設多臺噴槍，全部噴槍由一臺xy軸機械裝置控制，共用一個真空加熱臺，但每個噴槍各配一套漿料供應裝置和靜電發生器，進行獨立控制。

針對原自動噴塗機漿料利用率低、催化層結構無法控制的問題，本發明將噴槍改進為靜電噴槍，噴塗時通過控制漿料所帶靜電荷的大小，提高漿料的吸附力，減少向周圍環境的飛濺，同時在靜電荷的吸附作用下，可以改進所噴塗催化層的平整度等。為了防止噴塗時產生的醇類蒸氣遇到靜電荷發生燃燒、爆炸危險，在外殼頂部設置排氣裝置和底部通入惰性氣體保護氣。為了防止靜電對操作人員造成傷害，裝置中除噴槍以外的各個部分均與地線連接。為了提高噴塗裝置的效率，可以在噴塗裝置內同時安設多個噴槍，並由同一個xy軸機械裝置控制行進。

本發明具有如下優點：

1.本發明中的膜電極噴塗裝置中，噴槍採用靜電噴槍，可以對原有膜電極噴塗裝置中漿料利用率低，催化層無序的問題有所緩解。

2.本發明在噴塗裝置的外殼頂端設有排氣裝置，底端通入惰性氣體保護氣，以及部分部件連接地線，保證了靜電噴塗法噴塗膜電極的安全性。

3.本發明中噴槍的數目可以為大於等於1臺，有效利用噴塗設備內部空間，提高噴塗效率。

附圖說明

圖1本發明膜電極靜電噴塗裝置結構示意圖，圖中：1為外殼；2為真空加熱臺；3為漿料攪拌供應裝置；4為靜電噴槍；5為靜電發生器；6為xy軸機械裝置；7為排氣孔；8為通惰性保護氣孔；

圖2由本膜電極靜電噴塗裝置製備的膜電極表面顯微鏡照片；

圖3由本膜電極靜電噴塗裝置製備的膜電極的電池性能。

具體實施方式

下面結合實例對本發明作進一步詳細說明。

該自動噴塗裝置由六大部份組成：外殼、真空加熱臺、漿料攪拌供應裝置、靜電噴槍、靜電發生器、xy軸機械裝置。

1)第一部分是外殼，由不鏽鋼骨架和有機玻璃搭建而成，將其他組成部分包圍在其內部，通過導線連接地面，外殼的頂端設有排氣口，將噴塗產生的醇類蒸氣抽出，底部設有通氣口用於通入惰性氣體保護氣，避免噴塗產生的醇類蒸氣遇到靜電發生危險。

2)第二部分是真空加熱臺，其結構及作用與對比文件1中提及的相同，不同的是需要對其接地線，將靜電噴塗產生的電荷導走。

3)第三部分是漿料攪拌供應裝置，其包括料杯、磁力攪拌器、蠕動泵、矽膠管，催化劑漿料儲存在料杯中，在磁力攪拌器的作用下防止沉降，蠕動泵按照一定的體積流量將漿料經由矽膠管導入噴槍噴嘴處。其中蠕動泵和磁力攪拌器均接地線。其數目與靜電噴槍數目相同。

4)第四部分是靜電噴槍，利用X,Y軸機械裝置帶動噴槍，噴槍的開啟和關閉通過工控機控制，噴塗的速度和流量通過調節噴槍口徑與漿料流量相匹配。通過設定噴槍行進速度、路線、往複次數來實現製備不同厚度和形狀的膜電極。

5)第五部分是靜電發生器，其產生靜電荷的電壓範圍是10-100kV，利用導線將靜電荷傳遞到催化劑漿料中。發生器外殼連接地線。

6)第六部分是xy軸機械裝置，可以帶動噴槍在X和Y軸方向移動，通過程序設定，可以實現方形，圓形等不同形狀不同尺寸膜電極的噴塗，行進速度在0-20cm/s之間可調。

實施例1

如圖1所示，一種製備燃料電池膜電極的靜電噴塗裝置，其包括外殼、真空加熱臺、漿料攪拌供應裝置、靜電噴槍、靜電發生器、xy軸機械裝置，在原有膜電極自動噴塗機的基礎上進行改進；

所述外殼需要連接地線，頂端設有排氣口，底端設有惰性氣體導入口；

所述真空加熱臺與對比文件1相同，並在其基礎上連接地線；

所述靜電噴槍有兩臺，與之對應各設一臺靜電發生器和漿料攪拌供應裝置，靜電發生器和漿料攪拌供應裝置均連接地線。

所述漿料攪拌供應裝置，其包括料杯、磁力攪拌器、蠕動泵、矽膠管，其中磁療攪拌器和蠕動泵需要連接地線。

本實施例設計熱臺臺面有效面積為50cm×60cm，其上的抽真空孔的直徑為1mm,間距為2cm。X,Y軸伺服機的運行長度為100cm×100cm，這樣可以保證最大電極的面積為50cm×60cm，或同時噴塗兩個面積小於25cm×60cm(50×30cm)的電極。

將熱臺溫度設為70℃，噴槍距臺面距離設為10cm，噴槍運行速度設為2cm/s。將兩張有效面積為20cm×30cm質子交換膜鋪在熱臺上，其他沒有被膜覆蓋的抽真空孔用軟性膠皮蓋住，打開真空泵，膜便緊緊貼附在檯面上了。將調製好的催化劑料液放入料杯，矽膠管連接料液和噴嘴，開啟磁力攪拌和蠕動泵，設置漿料流量為5ml/min。調節噴嘴口徑，使漿料能夠順利流出(以不在噴嘴處聚集為準)，同時使漿料落在膜上的噴塗面直徑約1cm。設定程序，使噴槍以間距1cm的間隔逐行掃描的方式均勻的噴塗出有效面積為20m×30cm的催化層。噴塗過程中，靜電發生器提供的靜電荷電壓約50kV。單面噴塗結束後，將膜翻面，繼續噴塗另一面。至此，一張膜電極就完成了。

該膜電極的顯微鏡照片如圖2所示，可以看出噴塗的膜電極的微觀形貌非常的均勻。該膜電極的電池性能如圖3所示，電池性能良好，氫空條件的電池性能在1000電密之內沒有明顯的傳質極化。

實施例2

與實例1不同之處在於：噴槍和配套的靜電發生器、漿料攪拌供應裝置數目為1。

實施例3

與實例1不同之處在於：靜電發生器產生電荷電壓設為80kV。