CN109876984A - 一种在质子膜表面涂布催化剂层的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在质子膜表面涂布催化剂层的设备及方法。在质子膜表面涂布催化剂层的设备包括：质子膜上料单元，用于将卷绕成卷的质子膜进行放卷；质子膜处理单元，将由质子膜上料单元放卷后的质子膜传送至下一工位，质子膜处理单元内设有供质子膜通过并进行表面处理的第一处理单元与第二处理单元；隔离纸上料单元，用于将卷绕成卷的隔离纸进行放卷；成料单元，将质子膜与隔离纸层叠并卷曲为卷状。利用该设备，可以通过质子膜处理单元同时对质子膜两侧进行喷涂催化剂和加热干燥，形成催化剂层，形成催化剂层的质子膜与隔离纸在成料单元上层叠卷绕，一次性加工为成品膜，提高加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种在质子膜表面涂布催化剂层的设备及方法。
背景技术
现有的燃料电池膜电极制备技术主要是将质子膜两表面的催化剂依照前后顺序依次涂覆在质子膜的表面，此过程复杂且耗时较长。
发明内容
本发明目的是，提出一种在质子膜表面涂布催化剂层的设备及方法，用于将质子膜两表面同时涂覆催化剂形成催化剂层并与隔离纸层叠卷曲成形。
本发明提出的一种在质子膜表面涂布催化剂层的设备，包括：质子膜上料单元，用于将在其上卷绕成卷的质子膜进行放卷；质子膜处理单元，用于对由所述质子膜上料单元放卷后的所述质子膜进行涂覆催化剂和加热干燥处理并传送至下一工位；所述质子膜处理单元包括第一处理单元和第二处理单元，所述第一处理单元具有弧状凹槽部，所述第二处理单元具有与所述弧状凹槽部配合的弧状凸起部，所述弧状凸起部位于所述弧状凹槽部内且所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部之间具有间隙以供所述质子膜通过；所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上均分别设有涂覆部与加热部，用于对所述质子膜喷涂催化剂及加热干燥；隔离纸上料单元，用于将在其上卷绕成卷的隔离纸进行放卷；成料单元，用于将所述质子膜处理单元输送的所述质子膜与所述隔离纸上料单元放卷后的隔离纸层叠并卷曲为卷状。
优选地，所述弧状凸起部的圆心角为120°～180°。
优选地，所述涂覆部设置在所述质子膜进入的一端的所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上，所述涂覆部包括涂布模头，相应地，在所述弧状凹槽部和所述弧状凸起部与所述涂布模头对应的位置设有喷口。
优选地，所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上设置的所述喷口为等间距分布的至少三列喷口，每列所述喷口的形状、个数及大小被配置为能够将催化剂均匀涂覆在所述质子膜的两侧。
优选地，所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上设置的所述喷口是对称的，用于对所述质子膜的两侧同时涂覆催化剂。
优选地，所述质子膜与所述隔离纸的宽度一致。
优选地，所述加热部为电阻丝，所述电阻丝对称的设置在所述质子膜离开所述喷口至被输出之间的所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上；所述质子膜离开所述喷口至被输出之间的所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部为热的良导体材料。
优选地，所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部的弧长被配置为能够在所述质子膜被输出所述质子膜处理单元时表面形成稳定的催化剂层。
优选地，所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部之间的间隙为0.1mm～0.3mm。
本发明提供一种利用所述设备在质子膜表面涂布催化剂层的方法，包括以下步骤：
S1、将质子膜卷绕在质子膜上料单元上，卷状的质子膜被放卷的一端通过质子膜处理单元卷绕在成料单元上，将隔离纸卷绕在隔离纸上料单元上，卷状的隔离纸被放卷的一端卷绕在成料单元上，其中，质子膜与隔离纸的宽度一致；S2、质子膜经过质子膜处理单元，涂覆部对质子膜的两侧表面喷涂催化剂；S3、步骤S2中被涂覆催化剂的质子膜被加热部加热，其表面催化剂中的驱散剂被蒸发，成型催化剂层；S4、具有催化剂层的质子膜与隔离纸在成料单元进料端层叠并被收卷。
本发明的有益效果包括：利用该设备，可以通过质子膜处理单元同时对质子膜两侧进行喷涂催化剂和加热干燥，形成催化剂层，形成催化剂层的质子膜与隔离纸在成料单元上层叠卷绕，一次性加工为成品膜，提高加工效率。
附图说明
图1是本发明实施例的在质子膜表面涂布催化剂层的设备的结构示意图。
图2是图1中的质子膜处理单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。
如图1-图2所示，本实施例提出一种在质子膜表面涂布催化剂层的设备，包括质子膜上料单元1、质子膜处理单元2、隔离纸上料单元3和成料单元4；质子膜上料单元1用于卷绕质子膜11并将质子膜11放卷，质子膜11以卷状卷绕在质子膜上料单元1上，随质子膜上料单元1的转动放卷；质子膜处理单元2将被放卷的质子膜11进行传送，同时对质子膜11进行涂覆催化剂、加热等表面处理；隔离纸上料单元3用于将卷绕在上面的隔离纸31进行放卷；隔离纸上料单元3对隔离纸31进行放卷并进入成料单元4，与经表面处理过的质子膜11在成料单元4的输入端进行层叠并进行卷曲；质子膜11与隔离纸31的宽度保持一致。为便于机械加工及设置用于表面处理的装置，质子膜处理单元2包括第一处理单元21和第二处理单元22，第一处理单元21具有弧状凹槽部211，第二处理单元具有与弧状凹槽部211配合的弧状凸起部221(文中所述的配合是指弧状凹槽部211和弧状凸起部221的圆心角相等)，弧状凹槽部211和弧状凸起部221之间留有微小间隙，该间隙为0.1mm～0.3mm，以供质子膜11通过。进一步地，质子膜11通过上述间隙时，距离弧状凹槽部211和弧状凸起部221的距离相等。质子膜上料单元1及成料单元4对质子膜11施加的拉力不足以破坏质子膜11。在弧状凹槽部211和弧状凸起部221上设有涂覆部和加热部23，用于对通过的质子膜11进行喷覆催化剂及对质子膜上喷覆的催化剂进行加热干燥以固化催化剂。
具体地，在一实施例中，涂覆部设置在质子膜11进入的一端的弧状凹槽部211与弧状凸起部221上，涂覆部包括涂布模头(图中未示出)，在弧状凹槽部211和弧状凸起部221与涂布模头对应的位置设有喷口24，催化剂通过涂布模头及对应的喷口24涂覆在质子膜11的表面。喷涂催化剂时，通过调节催化剂的流量来调节催化剂到达质子膜11表面的压力，增强催化剂与质子膜11的结合力。进一步地，弧状凹槽部211与弧状凸起部221上设置的喷口24为等间距分布的至少三列喷口，每列喷口的形状、数量及孔径可以根据催化剂种类及喷涂效果确定，采用喷口密集排布的方式可以使喷涂的区域最大化且更均匀。本实施例中，形成的质子膜的催化剂层厚度在10微米至几十微米的范围。进一步地，弧状凹槽部211与弧状凸起部221上设置的喷口24是对称的，当质子膜11经过时，其两侧表面被同时涂覆催化剂。
具体地，在一实施例中，加热部23为但不限于电阻丝，电阻丝对称的设置在质子膜11离开喷口24至被质子膜处理单元2输出之间的弧状凹槽部211与弧状凸起部221上，电阻丝的形状及位置不限于图中所示。质子膜11表面的催化剂由于被加热使得其中的驱散剂快速蒸发，利于催化剂成型在质子膜11的表面。进一步地，上述的质子膜11离开喷口24至被质子膜处理单元2输出之间的弧状凹槽部211与弧状凸起部221为热的良导体材料，能够使质子膜11处于一个持续稳定的加热状态，加热温度根据实施情况控制在30℃～180℃之间。
具体地，如图1所示，质子膜上料单元1、隔离纸上料单元3、成料单元4、弧状凹槽部211和弧状凸起部221的轴线平行，隔离纸上料单元3被设置在成料单元4的右上方，质子膜处理单元2设置在成料单元4的左上方，隔离纸从成料单元4的底部顺时针进入，经过表面处理的质子膜11从成料单元4的顶部顺时针进入，并在成料单元4右侧与被放卷的隔离纸31层叠，并被成料单元4卷曲至卷状，其中，隔离纸31与质子膜11的宽度一致。具体地，为了保证弧状凹槽部211和弧状凸起部221能够相互配合且具有适合的工作区域，弧状凸起部221圆心角为120°～180°，优选为180°，在实际应用中，可以根据需要更换不同圆心角大小的弧状凸起部221，弧状凹槽部211也随之更换以配合弧状凸起部221，即弧状凸起部221和弧状凹槽部211的圆心角相等，进而改变质子膜11的进料与出料的方位。弧状凹槽部211和弧状凸起部221的弧的半径根据催化剂的出口压力及均匀性要求和加热时间设置，保证在质子膜11离开质子膜处理单元2时，其表面形成稳定的催化剂层。在本实施例中，选用厚度为15μm的质子膜，弧状凹槽部211与弧状凸起部221之间的间隙距离为0.1mm，对应的弧的半径为50mm。
本实施例提供一种根据上述设备在质子膜表面涂布催化剂层的方法，包括以下步骤：
S1、将质子膜11卷绕在质子膜上料单元1上，卷状的质子膜11被放卷的一端通过质子膜处理单元2卷绕在成料单元4上，将隔离纸31卷绕在隔离纸上料单元3上，卷状的隔离纸31被放卷的一端卷绕在成料单元4上，其中，质子膜11与隔离纸31的宽度一致。
S2、质子膜11经过质子膜处理单元2的弧状凹槽部211与弧状凸起部221之间的间隙，涂覆部对质子膜11的两侧表面喷涂催化剂。
S3、步骤S2中被涂覆催化剂的质子膜11被加热部加热干燥，其表面催化剂中的驱散剂被蒸发，成型催化剂层。
S4、具有催化剂层的质子膜11与隔离纸31在成料单元4进料端层叠并被收卷。
其中，步骤S3中的加热温度为45℃，足以将催化剂中的驱散剂蒸发，喷涂的催化剂是由Nafion乳液和碳载铂催化剂按照本领域常规的比例混合之后，经过球磨和超声波驱散混合之后形成的混合物。
本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例和附图仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其做出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。
Claims (10)
1.一种在质子膜表面涂布催化剂层的设备，其特征在于，包括：
质子膜上料单元，用于将在其上卷绕成卷的质子膜进行放卷；
质子膜处理单元，用于对由所述质子膜上料单元放卷后的所述质子膜进行涂覆催化剂和加热干燥处理并传送至下一工位；所述质子膜处理单元包括第一处理单元和第二处理单元，所述第一处理单元具有弧状凹槽部，所述第二处理单元具有与所述弧状凹槽部配合的弧状凸起部，所述弧状凸起部位于所述弧状凹槽部内且所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部之间具有间隙以供所述质子膜通过；所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上均分别设有涂覆部与加热部，用于对所述质子膜喷涂催化剂及加热干燥；
隔离纸上料单元，用于将在其上卷绕成卷的隔离纸进行放卷；
成料单元，用于将所述质子膜处理单元输送的所述质子膜与所述隔离纸上料单元放卷后的隔离纸层叠并卷曲为卷状。
2.如权利要求1所述的在质子膜表面涂布催化剂层的设备，其特征在于：所述弧状凸起部的圆心角为120°～180°。
3.如权利要求1所述的在质子膜表面涂布催化剂层的设备，其特征在于：所述涂覆部设置在所述质子膜进入的一端的所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上，所述涂覆部包括涂布模头，相应地，在所述弧状凹槽部和所述弧状凸起部与所述涂布模头对应的位置设有喷口。
4.如权利要求3所述的在质子膜表面涂布催化剂层的设备，其特征在于：所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上设置的所述喷口为等间距分布的至少三列喷口，每列所述喷口的形状、个数及大小被配置为能够将催化剂均匀涂覆在所述质子膜的两侧。
5.如权利要求3所述的在质子膜表面涂布催化剂层的设备，其特征在于：所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上设置的所述喷口是对称的，用于对所述质子膜的两侧同时涂覆催化剂。
6.如权利要求1所述的在质子膜表面涂布催化剂层的设备，其特征在于：所述质子膜与所述隔离纸的宽度一致。
7.如权利要求3所述的在质子膜表面涂布催化剂层的设备，其特征在于：所述加热部为电阻丝，所述电阻丝对称的设置在所述质子膜离开所述喷口至被输出之间的所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部上；所述质子膜离开所述喷口至被输出之间的所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部为热的良导体材料。
8.如权利要求1所述的在质子膜表面涂布催化剂层的设备，其特征在于：所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部的弧长被配置为能够在所述质子膜被输出所述质子膜处理单元时表面形成稳定的催化剂层。
9.如权利要求1所述的在质子膜表面涂布催化剂层的设备，其特征在于：所述弧状凹槽部与所述弧状凸起部之间的间隙为0.1mm～0.3mm。
10.一种利用权利要求1-9任意一项所述的设备在质子膜表面涂布催化剂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将质子膜卷绕在质子膜上料单元上，卷状的质子膜被放卷的一端通过质子膜处理单元卷绕在成料单元上，将隔离纸卷绕在隔离纸上料单元上，卷状的隔离纸被放卷的一端卷绕在成料单元上，其中，质子膜与隔离纸的宽度一致；
S2、质子膜经过质子膜处理单元，涂覆部对质子膜的两侧表面喷涂催化剂；
S3、步骤S2中被涂覆催化剂的质子膜被加热部加热，其表面催化剂中的驱散剂被蒸发，成型催化剂层；
S4、具有催化剂层的质子膜与隔离纸在成料单元进料端层叠并被收卷。
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