[發明專利]一種用于燃料電池膜電極的帶有高壓電場的狹縫涂布機

在審

• 申請號: 202011452260.4
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN114602727A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 宋微;衣寶廉;俞紅梅;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B05C5/02
• 分類號: B05C5/02;B05C9/14;B05C11/00;B05C13/02;B05C15/00;B05D3/02;H01M4/88
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 張玉瑩;李馨

本發明公開了一種用于燃料電池膜電極的帶有高壓電場的狹縫涂布機，其通過靜電發生裝置產生高壓靜電荷，通過高壓電輸送線將靜電荷傳遞到涂布模頭中的狹縫處，涂布機中的輥軸/平臺與接地線連接，保持輥軸/平臺的電勢為零，使得狹縫與輥軸/平臺之間形成高壓電場，進而使得狹縫擠出的漿料處于高壓電場下，在電場作用下漿料中的有效物質會發生定向排量，進而使涂布形成的涂層微觀結構發生改變。對于燃料電池膜電極中催化層的涂布過程來說，催化劑漿料中的離子聚合物有帶有正電的磺酸根，和帶有負電的碳氟骨架，因此在電場作用下聚合物會發生定向排列，進而使得涂布的催化層微結構實現一定程度的有序化。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種用于燃料電池膜電極大批量制備的狹縫涂布裝置，通過在涂布模頭和固定膜材料的輥軸或者真空加熱臺之間形成高壓電場，使涂布的催化劑漿料中的離子聚合物在電場作用下調整方向，進而形成部分有序的催化層結構。

背景技術

膜電極是燃料電池的核心部件，由質子交換膜、催化層和擴散層組成，其中催化層是電化學反應發生的場所，其由催化劑、離子交換樹脂、微孔等組成，其中能夠有效發生電化學反應的位點成為三相界面，研究表明，催化層微觀結構的有序化可以顯著改善氣體傳輸，改善三相界面，提高催化劑利用率。

目前實現催化層有序化的方法包括載體有序化、催化劑有序化、離子交換樹脂有序化三種途徑，3M公司率先提出的納米晶須結構的NSFT薄層有序化電極是采用的催化劑有序化的技術路線，這種新一代的有序化結構催化層可以實現貴金屬催化劑擔量的大幅下降，但制備工藝較為復雜，且離子傳導和水管理的問題是其大規模應用的瓶頸問題，因此需要開發適合有序化催化層大規模量產制備方法。

目前催化層的大批量制備可以通過噴涂、狹縫涂布、轉印等方法實現，其中噴涂法較為靈活，但需要反復多次噴涂才能達到所需要的催化層厚度，效率較低，催化劑在噴涂過程中損失率較高，主要適合實驗室研究以及小批量制備過程；狹縫涂布法將漿料按照特地厚度一次性涂到質子交換膜上形成催化層，生產效率較高，漿料損失小，但是容易造成膜的溶脹；轉印法在制備過程中需要先將催化劑涂布到轉印膜表面，再轉印到質子交換膜上，工藝繁瑣。

相關專利

相關專利1(CN106861958A)公開了“一種制備燃料電池膜電極的靜電噴涂裝置”，其是關于一種用于燃料電池膜電極制備的新型噴涂裝置，其由外殼、抽真空加熱臺、xy軸機械裝置、帶有攪拌功能的漿料供應系統、靜電噴頭、靜電發生器等幾大部分組成。該噴涂裝置工作時，通過靜電發生器產生電荷，輸送到經過噴頭的漿料，使漿料帶有靜電荷，并霧化，然后趁機在質子交換膜表面，通過靜電的作用，提高催化劑漿料的利用率，提高催化層的均一性等。

上述專利1是發明了一種用于燃料電池膜電極制備的靜電噴涂裝置，該裝置噴涂時電場距離5-20cm且漿料在壓縮氣體的帶動下高速噴射到膜表面，需要反復多層噴涂才能形成完整的催化層，電場對催化層結構的改進作用有限，而且該裝置僅用于提高催化層的均一性，并不能實現催化層分子結構的準有序性。

相關專利2(申請號201480001452.X)“狹縫式擠出涂布機用部件、狹縫式擠出涂布機用可動部件以及使用這些部件的電極生產用狹縫式擠出涂布機”，涉及狹縫式擠出涂布機用部件、狹縫式擠出涂布機用可動部件以及電極生產用狹縫式擠出涂布機，具體涉及減少涂布機內部的停滯區域體積比的狹縫式擠出涂布機用部件、狹縫式擠出涂布機用可動部件以及使用這些部件的電極生產用狹縫式擠出涂布機。

上述專利2是針對狹縫擠出涂布機做出部件改進和設計，并沒有涉及高壓電場對所制備膜電極催化層的優化作用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠在高壓靜電場作用下完成燃料電池膜電極準有序結構催化層涂布過程的機器設備。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：