一种膜电极制备装置及其制备方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种膜电极制备装置及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池的一个重要分支，它以其快速启动、可室温运行、无电解液流出、重量小、比功率高、对环境无污染和用途广等特点，逐渐成为燃料电池研究中的主流。

膜电极(MEA)组件为质子交换膜燃料电池的电化学反应提供了质子、电子、反应气体和水的连续通道，是质子交换膜燃料电池实现化学能和电能转换的关键部件，其性能好坏直接影响到质子交换膜的性能发挥。膜电极包括质子交换膜和附着在质子交换膜两面的催化剂层。

膜电极的制备工艺目前多为热压转印、超声喷涂等，但是超声喷涂效率低，优率低。热压转印工艺繁琐、效率较低，优率低。

Catalyst Coated Membrane(CCM)是将催化剂直接作用在质子交换膜的两面，无需热压以制备膜电极的一种技术，也称双面直涂技术，双面直涂生产效率高，优率高，能够提高催化剂的利用率和质子传导性，进一步降低催化剂Pt的担载量，适合大批量生产，但是难度极高。这是因为由于CCM直接涂覆法只能在质子交换膜的第一面直接涂覆，如果直接在质子交换膜的第二面直接涂覆催化剂会造成质子交换膜发生大尺寸不可控的溶胀。

现有技术中，为了避免质子交换膜在第二面直接涂覆催化剂层时发生的溶胀，造成产品不良，多采用热压转印和超声喷涂的方法。然而，热压转印法制备膜电极过程繁琐且产品优率低，超声喷涂催化剂利用率低，优率低，生产节奏慢等缺点，均不适合大规模商业化量产。近来也有一些新方法，如采用抗溶胀膜的方式复合涂好第一面的催化剂涂层质子膜，通过胶层吸附的方法抑制涂第二面催化剂层的时候产生的溶胀，但在涂覆完第二面催化剂层后，去除抗溶胀膜时可能会将第一面的部分催化剂层粘掉；另外，抗溶胀膜还对第一面的催化剂层有选择粘结作用，即某些第一面催化剂层的配方不能让抗溶胀膜紧密粘结。

鉴于此，确有必要提供一种技术方案以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种膜电极制备装置，保证在涂第二面催化层的时候，质子膜不会发生大尺寸不可控的溶胀。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种膜电极制备装置，包括：

第一放卷组件，用于放卷质子交换膜，所述质子交换膜的A面附着有第一催化剂层，所述质子交换膜的B面附着有背膜；

第二放卷组件，用于放卷多孔膜；

剥离组件，设置于所述第一放卷组件的下游，用于剥除所述背膜；

贴合组件，设置于所述第二放卷组件和所述剥离组件的下游，用于将所述质子交换膜附着有所述第一催化剂层的一面和所述多孔膜贴合；

吸附加热组件，设置于所述贴合组件的下游，通过吸附所述多孔膜将所述质子交换膜附着在所述吸附加热组件的表面并加热；

涂布组件，与所述吸附加热组件相对应设置，用于对所述质子交换膜的B面涂覆第二催化剂浆料以形成第二催化剂层；

干燥组件，与所述吸附加热组件对应设置，用于干燥所述第二催化层以得到膜电极。

作为本发明所述的膜电极制备装置的一种改进，所述第一放卷组件和所述第二放卷组件并列设置，所述贴合组件包括相对应设置的第一贴合辊和第二贴合辊，所述涂布组件包括挤压涂布组件或转移涂布组件，所述干燥组件设置为弧形。

作为本发明所述的膜电极制备装置的一种改进，还包括抽真空组件，所述吸附加热组件与所述抽真空组件连接，所述吸附加热组件包括吸附加热辊，所述吸附加热辊的表面开设有若干真空吸附孔，所述真空吸附孔的孔径为0.01～2mm，相邻两所述真空吸附孔的间距为1～20mm。其中，吸附加热组件的加热装置设置于所述吸附加热辊的内部。吸附加热辊的辊面温度设置为0～120℃。

作为本发明所述的膜电极制备装置的一种改进，还包括张力辊，所述张力辊包括第一张力辊、第二张力辊和第三张力辊，所述第一张力辊设置在所述第一放卷组件和所述第一贴合辊之间，所述第二张力辊设置在所述第二放卷组件和所述第二贴合辊之间，所述第三张力辊设置在所述贴合组件和所述吸附加热组件之间。各张力辊张力控制范围0～100N，张力控制精度0.1N。

作为本发明所述的膜电极制备装置的一种改进，还包括抽风组件，所述抽风组件与所述吸附加热组件对应设置，所述抽风组件用于抽除所述第二催化剂层挥发出来的溶剂。

作为本发明所述的膜电极制备装置的一种改进，还包括烘干组件所述烘干组件设置在所述吸附加热组件的下游，所述烘干组件用于辅助烘干所述第二催化剂层。

作为本发明所述的膜电极制备装置的一种改进，还包括展平组件，所述展平组件设置在所述烘干组件的下游，所述展平组件用于展平所述膜电极。

作为本发明所述的膜电极制备装置的一种改进，还包括支撑膜放卷复合组件，所述支撑膜放卷复合组件设置在所述展平组件的下游，所述支撑膜放卷复合组件用于放卷支撑膜并将所述支撑膜复合在所述膜电极的一表面。

作为本发明所述的膜电极制备装置的一种改进，还包括保护膜放卷组件、复合组件和收卷组件，所述保护膜放卷组件用于放卷保护膜，所述复合组件用于将所述保护膜复合在所述膜电极的另一表面，所述复合组件设置于所述支撑膜放卷复合组件和所述收卷组件之间。

本发明的目的之二在于，提供一种膜电极制备方法，包括以下操作：

在质子交换膜的A面涂覆第一催化剂层；

剥离所述质子交换膜B面自带的背膜；

在所述质子交换膜涂有所述第一催化剂层的一面附着多孔膜，所述多孔膜为非粘性多孔膜；

真空吸附所述多孔膜；

在所述质子交换膜的B面涂覆第二催化剂层，得到膜电极。

作为本发明所述的膜电极制备方法的一种改进，所述多孔膜的材质包括聚四氟乙烯膜、多孔碳纤维纸、碳纤维布、无纺布、多孔聚乙烯膜和多孔聚丙烯膜中的至少一种复合膜。

相对于现有技术中，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的膜电极制备装置，实现了一种膜电极的制备方法，先分别将附着有第一催化剂层的质子交换膜和多孔膜放卷，剥离质子交换膜自带的背膜后利用贴合组件将质子交换膜附着有第一催化剂层的一面与多孔膜贴合，然后利用吸附加热组件吸附多孔膜从而将质子交换膜附着在吸附加热组件的表面并加热，再利用涂布组件在质子交换膜的另一面涂覆第二催化剂浆料得到第二催化剂层，由于质子交换膜已经紧密贴合在吸附加热组件的表面，在吸附作用和加热作用下，涂覆第二催化剂浆料时可抑制质子交换膜发生溶胀，而且吸附加热组件的加热功能能够使得第二催化剂层中的溶剂快速挥发，再经由干燥组件辅助吸附加热组件快速干燥第二催化剂层中的溶剂，得到膜电极。本发明的装置提高了膜电极的制备优率，生产效率高，有利于膜电极的大批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例1中膜电极制备装置的结构示意图。

其中：11-第一放卷组件，12-第二放卷组件，13-剥离组件，2-贴合组件，21-第一贴合辊，22-第二贴合辊，3-吸附加热辊，31-抽真空组件，4-涂布组件，5-干燥组件，51-第一张力辊，52-第二张力辊，53-第三张力辊，61-抽风组件，62-烘干组件，63-展平组件，71-支撑膜放卷复合组件，72-保护膜放卷组件，8-复合组件，9-收卷组件。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种膜电极制备装置，包括：

第一放卷组件11，用于放卷质子交换膜，质子交换膜的A面附着有第一催化剂层，质子交换膜的B面附着有背膜；

第二放卷组件12，用于放卷多孔膜；

剥离组件13，设置于第一放卷组件11的下游，用于剥除背膜；

贴合组件2，设置于第二放卷组件12和剥离组件13的下游，用于将质子交换膜附着有第一催化剂层的一面和多孔膜贴合；

吸附加热组件，设置于贴合组件2的下游，通过吸附多孔膜将质子交换膜附着在吸附加热组件的表面并加热；

涂布组件4，与吸附加热组件相对应设置，用于对质子交换膜的B面涂覆第二催化剂浆料以形成第二催化剂层；

干燥组件5，与吸附加热组件对应设置，用于干燥第二催化层以得到膜电极。

进一步的，第一放卷组件11和第二放卷组件12并列设置，贴合组件2包括相对应设置的第一贴合辊21和第二贴合辊22，涂布组件4包括挤压涂布组件4或转移涂布组件4，干燥组件5设置为弧形。

进一步的，还包括抽真空组件31，吸附加热组件与抽真空组件31连接，吸附加热组件包括吸附加热辊3，吸附加热辊3的表面开设有若干真空吸附孔，真空吸附孔的孔径为0.01～2mm，相邻两真空吸附孔的间距为1～20mm。其中，吸附加热组件的加热装置设置于吸附加热辊3的内部。吸附加热辊3的辊面温度设置为0～120℃。进一步优选的，真空吸附孔的孔径≤1mm，相邻两真空吸附孔的最大间距≤15mm。抽真空组件31包括真空泵，真空泵的抽真空压力优选为≤-80Pa。吸附加热辊3的辊面温度设置为70～80℃。加热装置可设置为加热板。

进一步的，还包括张力辊，张力辊包括第一张力辊51、第二张力辊52和第三张力辊53，第一张力辊51设置在第一放卷组件11和第一贴合辊21之间，第二张力辊52设置在第二放卷组件12和第二贴合辊22之间，第三张力辊53设置在贴合组件2和吸附加热组件之间。各张力辊张力控制范围0～100N，张力控制精度0.1N。由于质子交换膜较薄较软，需要有一定的支撑，张力辊用于支撑和吸附质子交换膜走带，优选的，质子交换膜吸附区域的长度/质子交换膜的走带速度≥10s。优选的，当采用厚度为15μm、宽度为20mm的质子交换膜时，控制张力≤10N。

进一步的，还包括抽风组件61，抽风组件61与吸附加热组件对应设置，抽风组件61用于抽除第二催化剂层挥发出来的溶剂。

进一步的，还包括烘干组件62，烘干组件62设置在吸附加热组件的下游，烘干组件62用于辅助烘干第二催化剂层。烘干组件62包括烘箱，烘箱中的鼓风频率和风力大小与第二催化剂浆料的粘度相匹配设置，第二催化剂层的干燥速度优选为≤10s，干燥时间过长会造成第二表面催化剂层出现裂纹，干燥时间过短不利于后续收卷工作。

进一步的，还包括展平组件63，展平组件63设置在烘干组件62的下游，展平组件63用于展平膜电极。

进一步的，还包括支撑膜放卷复合组件71，支撑膜放卷复合组件71设置在展平组件63的下游，支撑膜放卷复合组件71用于放卷支撑膜并将支撑膜复合在膜电极的一表面。

进一步的，还包括保护膜放卷组件72、复合组件8和收卷组件9，保护膜放卷组件72用于放卷保护膜，复合组件8用于将保护膜复合在膜电极的另一表面，复合组件8设置于支撑膜放卷复合组件71和收卷组件9之间。保护膜附着在第二催化剂层的表面，能够防止收卷时未干透的第二催化剂层相互粘连。

本发明提供的膜电极制备装置，提供了一种膜电极的制备方法，先分别将附着有第一催化剂层的质子交换膜和多孔膜放卷，剥离质子交换膜自带的背膜后利用贴合组件2将质子交换膜附着有第一催化剂层的一面与多孔膜贴合，然后利用吸附加热组件吸附多孔膜从而将质子交换膜附着在吸附加热组件的表面并加热，再利用涂布组件4在质子交换膜的另一面涂覆第二催化剂浆料得到第二催化剂层，由于质子交换膜已经紧密贴合在吸附加热组件的表面，在吸附作用和加热作用下，涂覆第二催化剂浆料时可抑制质子交换膜发生溶胀，而且吸附加热组件的加热功能能够使得第二催化剂层中的溶剂快速挥发，再经由干燥组件5辅助吸附加热组件快速干燥第二催化剂层中的溶剂，得到膜电极。本发明的装置提高了膜电极的制备优率，生产效率高，有利于膜电极的大批量生产。

实施例2

本实施例提供一种膜电极制备方法，用实施例1中的设备制备，包括以下操作：

S1，在质子交换膜的A面涂覆第一催化剂层，用第一放卷组件11放卷涂覆有第一催化剂层的质子交换膜，用第二放卷组件12放卷多孔膜；

S2，用剥离组件13剥离质子交换膜B面自带的背膜；

S3，质子交换膜和多孔膜同步走带，经过第一贴合辊21和第二贴合辊22时将质子交换膜涂有第一催化剂层的一面与多孔膜复合；

S4，质子交换膜和多孔膜同步走带到吸附加热组件的吸附加热辊3，利用抽真空组件31对吸附加热辊3抽真空，同时吸附加热组件内的加热装置对吸附加热辊3的辊面加热，通过吸附多孔膜将质子交换膜附着在吸附加热辊3上；

S5，利用涂布组件4在质子交换膜的B面涂覆第二催化剂浆料，吸附加热组件的加热功能使得第二催化剂浆料中的溶剂快速挥发，同时利用干燥组件5辅助干燥第二催化剂浆料以形成第二催化剂层；用抽风组件61抽除第二催化剂层挥发出来的溶剂；

S6，双面涂覆有催化剂层的质子交换膜和多孔膜同步走带，经过烘干组件62烘干第二催化剂层；

S7，利用展平组件63展平双面涂覆有催化剂层的质子交换膜；

S8，支撑膜放卷复合组件71放卷支撑膜将支撑膜复合在双面涂覆有催化剂层的质子交换膜的一表面；

S9，放卷保护膜，在双面涂覆有催化剂层的质子交换膜的另一表面复合保护膜，利用收卷组件9收卷，得到CCM催化剂涂覆膜；

S7，在CCM催化剂涂覆膜的两侧复合两边框后，得到五合一膜电极；

S8，在五合一膜电极的两侧复合两气体扩散层后，得到七合一膜电极。

进一步的，多孔膜的材质包括聚四氟乙烯膜、多孔碳纤维纸、碳纤维布、无纺布、多孔聚乙烯膜和多孔聚丙烯膜中的至少一种。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。