專利名稱：一種制備質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及ー種制備質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置及方法，屬于燃料電池制備領域。
背景技術：
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是ー種通過電化學反應將化學能轉變成電能的發電裝置，具有能量密度高、運行溫度低和穩定好等優點，在移動設備、電動汽車(EV)、分布式電站等領域具有廣泛的應用前景。其核心部件膜電極三合一(MEA)由氣體擴散層、催化層和質子交換膜通過熱壓エ藝制備而成。氣體擴散層由導電的多孔材料組成，起到支撐催化層、收集電流、傳導氣體和排出水等多重作用，是影響電極性能的關鍵部件之一，近年來受到廣泛的關注。擴散層的制備エ藝、各組成成分的含量及擴散層料漿的分散程度等因素都直接影響擴散層的性能，進而影響電極的整體性能。因此，要提高電極的整體性能，必須解決高穩定性擴散層料漿的制備問題。現已公開的專利和文獻只是提及擴散層料漿的制備エ藝，并無相應規模化生產專用設備的報道。制備擴散層料漿時，將碳粉加入到含有PTFE乳液的水分散液中，通過高強度超聲或剪切カ或兩者的聯合作用使碳粉潤濕分散。該過程不僅要將不相容的水和PTFE 乳液兩相分散成液滴且液滴的直徑在一定的范圍內，而且要將碳粉高度分散到乳化液中。 混合過程必須在保證不破乳的條件下盡可能地提高納米碳粉的分散度。然而，高強度的超聲或剪切容易引起PTFE乳液的破乳現象，料漿出現明顯的固液分層，但若降低剪切強度， 一方面可能導致分散時間延長，分散效率降低，引起料漿內部溫度升高，出現破乳現象，另一方面可能導致分散效果達不到產品要求。這就要求在選擇合理的剪切強度或超聲強度時要控制分散體系的溫度，防止溫度過高。中國專利CN102024961A —種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層及其制備方法提及通過超聲波振蕩，配制料漿，但此種方法適用于少量料漿的配置，不適用于規模化生產， 且在實際操作中超聲波易造成PTFE乳液的破乳；中國專利CN101038970A —種高溫質子交換膜燃料電池用保水擴散層的制備方法指出先將碳粉與PTFE混合，然后加入水或者無水有機溶劑，然后在1000-5000rpm的攪拌速度下攪拌10-24小時，獲得擴散層料漿。但此種方法只適用于少量料漿的配置，且分散效率低，攪拌時間長，長時間高速攪拌料漿易出現明顯溫升，不適用于大量(彡20L)的擴散層料漿的高效混合；中國專利CN101022164A燃料電池氣體擴散層的制備方法先將碳黑粉末、蒸餾水、分散劑Tween-60按比例混合均勻，再將 PTFE乳液均勻加入上述的碳黑粉末分散體系中，繼續混合0. 5-3小吋，混合方法采用超聲波、機械高速剪切。但此種方法第一歩制備碳黑粉末分散體系時碳粉需要分10次加入，不能實現碳粉的一次預混合，預混合過程需要添加分散劑，増加了成本，并且將整個分散過程割裂為兩步進行，分散效率低，同時實際操作中超聲波易造成PTFE乳液破乳。對擴散層料漿的高效混合其中重要的問題是既要分散均勻，穩定性好，又要保證其不破乳。所以對攪拌器的設計提出了很高要求，同時也需對攪拌過程的溫度進行精確的控制。現有的攪拌裝備大多采用夾套冷卻，但對于大量(> 20L)的擴散層料漿的高效混合分散，由于漿料粘度高，單靠夾套冷卻極易造成料漿遠離夾套壁面中心部分溫度過高，嚴重影響勻漿的效果，甚至造成嚴重的破乳，導致漿料報廢。所以，針對大量擴散層料漿的高效混合，目前的勻漿裝備均無法滿足，急需研制專用的高效分散和冷卻的勻漿裝備。
發明內容
本發明要解決的主要技術問題是提供了一種具有內部冷卻功能、高速分散器安裝位置可調、集預混合與高速分散于一體，可規模化制備高粘度質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置和方法。具有混合效率高、成本低、易操作、防破乳等優點，能有效預防物料在使用過程中出現固液分離的沉積現象，解決了目前生產實際中存在的問題。本發明是通過以下技術方案實現的一種制備質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置，包括動力裝置、傳動裝置、攪拌桶3、由動力裝置通過傳動裝置帶動的低速攪拌器4、高速分散器5 ;其特征在于，所述的動力裝置包括低速分散電機101、高速分散電機102和自動升降電機103，所述的傳動裝置包括傳動輪系205、傳動軸和轉動架204，傳動軸包括中空的、由低速分散電機101帶動的低速傳動主軸201，置于中空的低速傳動主軸201內的、由高速分散電機102帶動的高速傳動軸 202以及置于高速傳動軸202內中空的管線軸203，上述三軸內部通過軸承嵌套固定，通過軸承座固定在機架7上；一個中空的圓柱體轉動架204通過鍵連接安裝在主軸201上，同主軸201 —起轉動；所述的轉動架204內設置有兩根低速轉動軸4a、4b，其下端穿過轉動架并與轉動架下端面垂直，且兩安裝點與下端面圓心中心對稱，安裝點距圓心l/8d-l/4d，優選l/6d， 兩個低速攪拌器4安裝在轉動軸4a、4b的下端伸入攪拌桶3內；轉動軸4a、4b的上端穿過轉動架上端面并通過小齒輪與固定在機架上的大齒輪205嚙合，傳動比為I : 1-1 4，優選I : 2，轉動軸4a、4b帶動兩個低速攪拌器4在隨轉動架204 —起轉動時實現自身的轉動；所述的轉動架204內還設置有兩根與轉動架204下端面垂直的高速轉動軸5a、5b， 其兩安裝點與下端面圓心中心對稱，安裝點距圓心l/6d-3/10d，優選l/4d，高速傳動軸安裝點連線與低速傳動軸安裝點連線垂直，高速轉動軸5a、5b的頂端安裝有從動帶輪206，從動帶輪通過同步帶與安裝在高速傳動軸202上的主動帶輪208連接；高速轉動軸5a、5b的下端各安裝一分散器5置于攪拌桶3中，高速分散器5在高速轉動軸5a、5b的帶動下隨轉動架204 —起轉動，同時在高速傳動軸202帶動下實現自身的轉動，轉速在0-7500rpm之間；攪拌桶3內至少有一個內部冷卻組件6，所述的內部冷卻組件6包括盤管式換熱管及其連接管線8，內部冷卻組件6通過螺栓連接垂直安裝在轉動架204的下端面上并隨轉動架一起轉動，安裝點距下端面中心3/10d-9/20d，優選2/5d，安裝在兩低速傳動軸安裝點連線的45° -75°方向，優選60°，盤管式換熱管的流量為100-150L/h，優選120L/h ;連接管線8經中空的管線軸203連接至旋轉轉接器9，再接外部循環水浴；所述的攪拌桶3為具有外部冷卻功能的夾套式結構，攪拌桶3通過自動升降電機 103帶動的蝸輪絲桿10實現自動升降，攪拌桶的設計容量為10-50L ；
其中d為轉動架204下端面直徑。所述的高速分散攪拌器5可根據料漿處理量選擇合適的安裝高度，高速分散器5 在攪拌桶3中以不同的高度安裝，從而實現不同高度料漿的充分攪拌。高速分散器型式優選輪盤式結構；低速攪拌器4可以是框式、葉片式、或麻花框式，優選麻花框式，實現料漿的充分混合；本發明還提供一種基于上述裝置的制備質子膜燃料電池擴散層料漿的方法，所述方法包括如下步驟I)將水和聚四氟こ烯(PTFE)乳液按照配比加入到攪拌桶中，水和PTFE乳液的質量比為80 (I 5)，優選80 3 ;PTFE乳液的固含量為60±2wt%，表面活性劑含量為
3.6-7wt%，PH值8-10，粘度為20-35Mpa *s，開啟低速分散電機101和高速分散電機102，調節低速分散電機101的轉速為4-8rpm，優選5rpm，高速分散電機102的轉速為400_500rpm， 優選500rpm,混合4_7min,優選5min,實現水和PTFE乳液的預混合；2)將碳粉加入步驟I)的水和PTFE乳液的混合液中，碳粉的量為整個體系的 1-20% wt，優選6wt%，開啟真空泵，將循環水浴的溫度設置在10-40°C，優選20°C，増大低速分散電機101的轉速為10-15rpm，優選lOrpm，保持高速分散電機102轉速不變，混合 15-20min,優選15min,實現碳粉的潤濕與預混合；3)調節低速分散電機101的轉速為20-30rpm，優選30rpm，高速分散電機102轉速為2000-5000rpm，優選3500rpm，混合I. 5-2小時，制得質子膜燃料電池擴散層料漿。有益效果 本發明同時采用低速攪拌器和高速分散攪拌器，輔以內部和外部循環冷卻，達到剪切、分散和充分混合的效果。本發明的優點在于，首次將高速分散與內部冷卻相集成，提供了一種集預混合與高度分散于同一設備，可規模化制備高粘度質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置和方法。相對于已有技術，首先無需超聲波強化組件，避免了超聲波強化所帯來的破乳問題；其次提供ー組具有高速、中速和低速三種轉速的混合攪拌組件，各種混合攪拌組件既能繞自軸自轉，又能繞中心軸公轉，混合效率高，同時通過調節兩個高速分散組件的安裝位置，能有效預防局部剪切率過高引起的破乳問題；最后，相對于已有技木，同時具備料漿內部冷卻和外部循環冷卻功能，解決了制備大量高粘度料漿時的溫度控制問題，具有廣泛的應用前
旦
o
下面結合附圖和實施例對本發明進ー步說明。圖I質子交換膜燃料電池擴散層料漿制備裝置正向剖視圖其中101-低速分散電機，102-高速分散電機，103-自動升降電機，201-低速傳動主軸，202-高速傳動軸，203-管線軸，204-轉動架，205-大齒輪，207-主動帶輪，3-攪拌桶， 4-低速攪拌器，4a、4b-低速轉動軸，7-機架，9-旋轉轉接器，10-蝸輪絲桿。圖2質子交換膜燃料電池擴散層料漿制備裝置右視剖視圖其中201-低速傳動主軸，202-高速傳動軸，203-管線軸，204-轉動架，206-從動帶輪，208-主動帶輪，3-攪拌桶，5-高速分散器，5a、5b-高速轉動軸，6-內部冷卻組件，8-換熱管連接管線，9-旋轉轉接器。圖3質子交換膜燃料電池擴散層料漿制備裝置各組件安裝示意圖其中4_低速攪拌器，5-高速分散器，6-內部冷卻組件，204-轉動架。圖4質子交換膜燃料電池擴散層料漿制備裝置內部冷卻組件示意圖其中6-內部冷卻組件，6a_進水口，6b_出水口。圖5實施例一料漿固含量變化6實施例二料漿固含量變化圖
具體實施例方式為讓本發明的目的、特征和優點能更明顯易懂，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。實施例一低速攪拌器的兩根轉動軸對稱地安裝在距轉動架中心l/6d的兩側，轉動軸穿過轉動架通過小齒輪與固定在機架上的大齒輪嚙合，傳動比為I : 2，低速攪拌器的型式為麻花框式，可最大限度地攪拌料漿。高速分散器的兩根轉動軸對稱地安裝在距轉動架中心 l/4d的兩側，與低速轉動軸中心連線垂直，分散器的型式為輪盤式，在轉動軸上的垂直安裝高度相差10cm。安裝兩組內部冷卻組件，對稱地安裝在距轉動架中心2/5d處，與低速轉動軸連線成60°，換熱管為盤管式，流量120L/h。攪拌桶為夾套式結構，容積為30L，料漿處理量為20L。啟動自動升降電機，降下攪拌桶，加入16.8kg的水和630g的PTFE乳液后，升起攪拌桶，開啟低速分散電機和高速分散電機轉速分別為5rpm和500rpm,分散5min,實現水和 PTFE乳液的預混合。然后將1092g的碳粉一次性加入PTFE的水分散液中，開啟循環水浴和內部冷卻組件，設置循環水浴溫度為20°C，增大低速分散電機轉速為IOrpm，保持高速分散電機轉速不變，碳粉潤濕與預混合15min后,增大低速分散電機轉速為30rpm,高速分散電機轉速為3500rpm，混合2小時，制得擴散層料漿。將料漿放在量筒中靜置24小時，量筒在側面均布有4個取樣口，底部有一個取樣口。測量不同取樣口的料漿的固含量，發現固含量的差異在±3%之內，料漿的穩定性好。料漿固含量結果如圖5所示。整個分散過程中料漿溫度維持在25-26°C之間。作為本實施例的一種變換，根據實際生產需要，混合過程可以在真空環境下進行， 即攪拌桶內為負壓。實施例二低速攪拌器的兩根轉動軸對稱地安裝在距轉動架中心l/6d的兩側，轉動軸穿過轉動架通過小齒輪與固定在機架上的大齒輪嚙合，傳動比為I : 2，低速攪拌器的型式為麻花框式，可最大限度地攪拌料漿。高速分散器的兩根轉動軸對稱地安裝在距轉動架中心 l/4d的兩側，與低速轉動軸中心連線垂直，分散器的型式為輪盤式，在轉動軸上的垂直安裝高度相差10cm。安裝兩組內部冷卻組件，對稱地安裝在距轉動架中心2/5d處，與低速轉動軸連線成60°，換熱管為盤管式，流量120L/h。攪拌桶為夾套式結構，容積為40L，料漿處理量為30L。啟動自動升降電機，降下攪拌桶，加入25.2kg的水和945g的PTFE乳液后，升起攪拌桶，開啟低速分散電機和高速分散電機轉速分別為5rpm和500rpm,分散5min實現水和 PTFE乳液的預混合。然后將1638g的碳粉一次性加入PTFE的水分散液中，開啟循環水浴和內部冷卻組件，設置循環水浴溫度為20°C，増大低速分散電機轉速為IOrpm，保持高速分散電機轉速不變，碳粉潤濕與預混合15min后,增大低速分散電機轉速為30rpm,高速分散電機轉速為3500rpm，混合2小吋，制得擴散層料漿。將料漿放在量筒中靜置24小吋，量筒在側面均布有4個取樣ロ，底部有一個取樣ロ。測量不同取樣ロ的料漿的固含量，發現固含量的差異在±3%之內，料漿的穩定性好。料漿固含量結果如圖6所示。整個分散過程中料漿溫度維持在25-26°C之間。作為本實施例的一種變換，根據實際生產需要，混合過程可以在真空環境下進行， 即攪拌桶內為負壓。
權利要求
1.一種制備質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置，包括動力裝置、傳動裝置、攪拌桶3、由動力裝置通過傳動裝置帶動的低速攪拌器4、高速分散器5 ;其特征在于，所述的動力裝置包括低速分散電機101、高速分散電機102和自動升降電機103，所述的傳動裝置包括傳動輪系205、傳動軸和轉動架204，傳動軸包括中空的、由低速分散電機101帶動的低速傳動主軸201，置于中空的低速傳動主軸201內的、由高速分散電機102帶動的高速傳動軸 202以及置于高速傳動軸202內中空的管線軸203，上述三軸內部通過軸承嵌套固定，通過軸承座固定在機架7上；一個中空的圓柱體轉動架204通過鍵連接安裝在主軸201上，同主軸201 —起轉動；所述的轉動架204內設置有兩根低速轉動軸4a、4b，其下端穿過轉動架并與轉動架下端面垂直，兩安裝點與下端面圓心中心對稱，安裝點距圓心l/8d-l/4d，兩個低速攪拌器4 安裝在轉動軸4a、4b的下端伸入攪拌桶3內；轉動軸4a、4b的上端穿過轉動架上端面并通過小齒輪與固定在機架上的大齒輪205嚙合，傳動比為I : 1-1 4，優選I : 2，轉動軸 4a、4b帶動兩個低速攪拌器4在隨轉動架204 —起轉動時實現自身的轉動；所述的轉動架204內還設置有兩根與轉動架204下端面垂直的高速轉動軸5a、5b，其兩安裝點與下端面圓心中心對稱，安裝點距圓心l/6d-3/10d，高速傳動軸安裝點連線與低速傳動軸安裝點連線垂直，高速轉動軸5a、5b的頂端安裝有從動帶輪206，從動帶輪通過同步帶與安裝在高速傳動軸202上的主動帶輪208連接；高速轉動軸5a、5b的下端各安裝一分散器5置于攪拌桶3中，高速分散器5在高速轉動軸5a、5b的帶動下隨轉動架204 —起轉動，同時在高速傳動軸202帶動下實現自身的轉動，轉速在0-7500rpm之間；攪拌桶3內至少有一個內部冷卻組件6，所述的內部冷卻組件6包括盤管式換熱管及其連接管線8，內部冷卻組件6通過螺栓連接垂直安裝在轉動架204的下端面上并隨轉動架一起轉動，安裝點距下端面圓心3/10d-9/20d，安裝在兩低速傳動軸安裝點連線的45° -75。 方向，盤管式換熱管的流量為100-150L/h ;連接管線8經中空的管線軸203連接至旋轉轉接器9，再接外部循環水浴；所述的攪拌桶3為具有外部冷卻功能的夾套式結構，攪拌桶3通過自動升降電機103 帶動的蝸輪絲桿10實現自動升降，攪拌桶的設計容量為10-50L ；其中d為轉動架204下端面直徑。
2.一種制備質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置，其特征在于，所述的兩個高速分散器5在攪拌桶3中以不同的垂直高度安裝。
3.一種制備質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置，其特征在于，所述的高速分散器為輪盤式結構；低速攪拌器4為框式、葉片式、麻花框式中的一種。
4.一種制備質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置，其特征在于，所述的低速轉動軸 4a,4b的安裝點距轉動架下端面圓心l/6d ;高速轉動軸5a、5b的安裝點距轉動架下端面圓心l/4d ;內部冷卻組件6的安裝點轉動架下端面圓心2/5d，安裝在兩低速傳動軸安裝點連線的60°方向。
5.一種制備質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝置，其特征在于，所述的盤管式換熱管的流量為120L/h。
6.一種基于權利要求I的裝置的制備質子膜燃料電池擴散層料漿的方法，所述方法包括如下步驟1)將水和聚四氟乙烯(PTFE)乳液按照配比加入到攪拌桶中，水和PTFE乳液的質量比為80 (I 5) ;PTFE乳液的固含量為60±2wt%，表面活性劑含量為3.6-7wt%，PH值 8-10，粘度為20-35Mpa *s，開啟低速分散電機101和高速分散電機102，調節低速分散電機 101的轉速為4-8rpm，高速分散電機102的轉速為400_500rpm，混合4_7min，實現水和PTFE 乳液的預混合；2)將碳粉加入步驟I)的水和PTFE乳液的混合液中，碳粉的量為整個體系的1-20% wt,優選6wt %，開啟真空泵，將循環水浴的溫度設置在10-40°C，優選20°C，增大低速分散電機101的轉速為10-15rpm，保持高速分散電機102轉速不變，混合15_20min，實現碳粉的潤濕與預混合；3)調節低速分散電機101的轉速為20-30rpm，高速分散電機102轉速為 2000-5000rpm，混合I. 5-2小時，制得質子膜燃料電池擴散層料漿。
7.一種基于權利要求I的裝置的制備質子膜燃料電池擴散層料漿的方法，所述方法步驟I)中低速分散電機101的轉速為5rpm，高速分散電機102的轉速為500rpm，水和PTFE 乳液以80 3的質量比混合5min ;步驟2)中低速分散電機101的轉速為lOrpm，混合時間為15min ;步驟3)中低速分散電機101的轉速為30rpm，高速分散電機102轉速為3500rpm。
全文摘要
本發明涉及一種制備質子交換膜燃料電池擴散層料漿的裝備及方法。該裝置包括動力裝置、傳動裝置、攪拌桶、低速攪拌器、高速分散器和內部冷卻組件等，傳動裝置包括中空的低速傳動主軸和置于中空主軸內的高速傳動軸，轉動安裝在主軸上，低速攪拌器、高速分散器和內部冷卻組件安裝在轉動架上，隨轉動架一起轉動，同時高速分散組件又在連接到傳動裝置的高速傳動軸帶動下高速旋轉；循環水管線由安裝在中空高速傳動軸內的管線軸引入，實現內部冷卻功能。本發明的裝備首次具備制漿過程內部冷卻功能，解決了制備高粘度料漿內部溫升引起的破乳問題，并將預混合與高速分散集成到同一設備，具有處理量大、適用粘度范圍廣、高效、成本低、易操作等優點。
文檔編號H01M4/86GK102593470SQ201210053730
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者于新海, 涂善東, 白文田, 賴煥新, 陸榮華 申請人:華東理工大學