[發明專利]一種用于在基板表面生長催化劑的電極制備裝置及方法

在審

• 申請號: 201710868683.6
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107731415A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 吳旭;韋聚才;古月圓;謝夢茹;李金東;張艷琳;呂航;王芳
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01B13/00
• 分類號: H01B13/00;H01M4/88
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 許恒恒,李智

技術領域

本發明屬于電化學工程的電極制備技術領域，更具體地，涉及采用機械手臂噴涂的電極制備方法及裝置。

背景技術

噴涂制備電極技術是各類電極的主流制備技術之一，具有操作簡單、成本較低、易于產業化等優點，有較好的應用和發展前景。噴涂制備電極技術由催化活性粉末材料或其前驅體與特定溶劑充分混合，通過噴筆等霧化器噴涂到經特定預處理的電極基板上而制備。目前，噴涂制備電極技術主要由人工操作，以及少量已商業化的噴涂儀。因此，制備的電極的性能嚴重依賴于操作者的技能和熟練程度，重現性低，可靠性低，且電極面積受到限制。此外，人工操作使操作人員長期處于高溫、高濕、有毒的工作環境中，對人體健康有著重大的危害。近年來，尋找高效、簡易、經濟的機械噴涂制備方法一直是電極噴涂制備技術研究熱點。少量已商業化的噴涂儀雖然可以代替人工操作，但價格昂貴，會造成電極制備成本上升，且大部分企業、科研院校都負擔不起。此類噴涂儀主要由滑臺移動，包括超聲噴涂、靜電噴涂，最多可以實現四軸運動，系統結構復雜，操作控制煩雜。此類噴涂儀主要應用于燃料電池的制備，應用范圍窄，并不能適用于由金屬氧化物鹽類前驅體在電極表面熱分解反應生長成目標物質催化層而制成的電極，如尺寸穩定陽極。同時，此類噴涂儀均為一體化設備，各部件相互集成，不可拆卸，維修工序復雜，單臺噴涂儀噴涂方式往往單一不變。公開號為CN200610038519的一種制造燃料電池膜電極組件的設備，通過對數控磨床或刨床進行改造，將超聲噴霧器連接到電動機械手臂上，通過控制器控制機械手臂和超聲噴霧器，與現有商業化的噴涂儀的形式和組成相似。這種制造燃料電池膜電極組件的設備利用加熱燈或其他合適的加熱源來加熱以縮短被噴霧膜電極的干燥時間，加熱源僅僅為了是蒸發漿料中的溶劑，并不能使活性物質發生化學變化，僅適用于以粉末物質為活性物質制成的墨水狀噴涂漿液噴涂，并不能應用于噴涂制備由金屬氧化物鹽類前驅體在電極表面熱分解反應生長成目標物質催化層而制成的電極，如尺寸穩定陽極。

發明內容

針對上述現有技術的缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于在基板表面生長催化劑的電極制備裝置及方法。解決了現有技術中的制備的電極的性能嚴重依賴于操作者的技能和熟練程度，重現性低，可靠性低，且電極面積受到限制。此外，現有技術中人工操作制備電極使操作人員長期處于高溫、高濕、有毒的工作環境中，對人體健康有著重大的危害。現有技術中的噴涂儀主要由滑臺移動，包括超聲噴涂、靜電噴涂，最多可以實現四軸運動，系統結構復雜，操作控制煩雜；此類噴涂儀主要應用于燃料電池的制備，應用范圍窄，并不能適用于由金屬氧化物鹽類前驅體在電極表面熱分解反應生長成目標物質催化層而制成的電極，如尺寸穩定陽極。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種用于在基板表面生長催化劑的電極制備裝置，該電極制備裝置包括機械手臂、霧化器、噴嘴、漿料儲備容器、加熱器和控制器；所述霧化器固定在所述機械手臂上，并與所述漿料儲備容器連接；所述噴嘴位于所述霧化器的一端且面向加熱器；所述控制器用于控制所述機械手臂的開關和運行；所述霧化器用于霧化所述漿料儲備容器中的漿料，所述噴嘴用于噴涂霧化的漿料。

優選地，所述霧化器通過機械爪夾持或螺栓固定到所述機械手臂上；

優選地，所述霧化器通過管路與所述漿料儲備容器連接；

優選地，所述霧化器為噴筆或霧化噴頭；

優選地，所述機械手臂為四軸、六軸、八軸或十二軸機械手臂。

按照本發明的另一方面，提供了一種制備電極的方法，包括以下步驟：

(1)將電極基板安裝在加熱器面向噴嘴的一側，在所述加熱器上設定加熱溫度，將電極基板加熱到預定溫度；

(2)將漿料倒入所述漿料儲備容器中；

(3)設定所述機械手臂的運行參數，包括運動速度、運動軌跡以及噴嘴與所述電極基板的距離；

(4)所述霧化器將所述漿料儲備容器中的漿料霧化，所述噴嘴將霧化后的漿料噴涂到所述電極基板上；在噴涂的過程中同時啟動所述機械手臂，所述機械手臂按預定的運動速度和運動軌跡運行，噴嘴同時將霧化后的漿料均勻噴涂到電極基板上制成電極。

優選地，所述電極基板為玻璃、陶瓷、塑料薄膜、氣體擴散層或鈦板。

優選地，步驟(1)中所述預定溫度為100℃～500℃。

優選地，所述噴涂漿液包括活性物質；

優選地，所述活性物質包括金屬粉末、金屬氧化物粉末或金屬氧化物鹽類前驅體溶液；

優選地，所述金屬氧化物鹽類前驅體溶液為三氯化銥溶液。