一种质子交换膜燃料电池CCM的生产装置及方法与流程

本发明涉及燃料电池生产技术领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池ccm的生产装置及方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell，简称pemfc）是燃料电池中的一种，其主要特点包括：清洁、效率高、能量密度大、输出功率可以根据需求进行自主调节，应用范围广等优点。pemfc燃料电池一般包括质子交换膜、催化剂、密封、双极板、集电板、端板等主要结构，其中质子交换膜和催化剂以及密封结构组成了燃料电池中发生电化学反应的主要场所的部件——膜电极。膜电极包括结构部件包括：质子交换膜、阳极催化剂、阴极催化剂、阳极扩散层和阴极扩散层以及密封结构。

pemfc燃料电池的膜电极的制备主要是基于ccm（catalystcoatedmembrane）技术，是把催化剂涂覆于质子交换膜上的，再通过一定温度和压力和气体扩散层压合在一起。涂覆催化剂一般是采取喷涂或者涂布刮刀方式，在实际生产过程中，需要花费大量时间用于质子交换膜的揭膜翻转以及铺陈（因为揭膜翻转以及铺陈过程容易导致膜的卷翘和褶皱，所使必须小心进行），并且很难保证涂覆一面后不会因为质子交换膜溶胀而发生卷翘，再进行另一面的涂覆时也就难以保证两面的有效区域准确对正，在此过程中也容易导致不良品的产生。而且，传统制备燃料电池ccm的方式多数采用单片制备，此方法只适用于实验室研究和小批量生产，无法满足大批量生产膜电极的需求。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池ccm的生产装置及方法，旨在解决现有pemfc燃料电池的膜电极制备方法的生产效率低和容易产生不良品的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种质子交换膜燃料电池ccm的生产方法，包括步骤：

a.利用两个涂布机分别在两块连续的转印膜上涂布催化剂溶液，制得阳极催化剂层和阴极催化剂层；

b.利用压辊把步骤a中的两块转印膜上的催化剂层同时转印到一块连续的质子交换膜的两面；

c.利用剥离机构把转印后的转印膜从质子交换膜上剥离。

所述的质子交换膜燃料电池ccm的生产方法的,步骤a中，把催化剂、膜溶液、有机溶剂、去离子水混合，并通过磁力搅拌、超声或者剪切乳化设备分散均匀制得所述催化剂溶液。

所述的质子交换膜燃料电池ccm的生产方法的,步骤a中，所述转印膜为聚酯薄膜pet、聚乙烯薄膜pe或聚丙烯薄膜opp，其表面涂布有硅胶离型剂。

所述的质子交换膜燃料电池ccm的生产方法的,步骤b中，转印时利用两组压辊进行两次辊压。

所述的质子交换膜燃料电池ccm的生产方法中,转印时，辊压压力为0.5mpa～150mpa，辊压速度为5mm/s～100mm/s。

一种质子交换膜燃料电池ccm的生产装置，包括第一涂布机、第二涂布机、辊压机构、剥离机构、以及导向辊组；第一涂布机用于向一块连续的转印膜涂布催化剂溶液从而制得阳极催化剂层；第二涂布机用于向另一块连续的转印膜涂布催化剂溶液从而制得阴极催化剂层；辊压机构用于把该两块转印膜与一块连续的质子交换膜辊压在一起，从而把阳极催化剂层和阴极催化剂层分别转印在质子交换膜的两面；剥离机构用于把两块转印后的转印膜从质子交换膜上剥离；所述导向辊组用于把两块转印膜和子交换膜导向辊压机构。

所述的质子交换膜燃料电池ccm的生产装置中，所述第一涂布机和第二涂布机均为超声波喷涂机，包括机台，以及若干个设置在机台上方的喷头；这些喷头沿转印膜的宽度方向排布。

所述的质子交换膜燃料电池ccm的生产装置中，所述辊压机构包括机架，设置在机架上的第一压辊组，以及电机；第一压辊组包括第一主动压辊和第一从动压辊，第一主动压辊由电机驱动。

所述的质子交换膜燃料电池ccm的生产装置中，所述辊压机构还包括设置在第一压辊组下游的第二压辊组，该第二压辊组包括第二主动压辊和第二从动压辊。

所述的质子交换膜燃料电池ccm的生产装置中，所述剥离机构包括设置在质子交换膜上方的第一收卷辊，以及设置在质子交换膜下方的第二收卷辊。

有益效果：

本发明提供的一种质子交换膜燃料电池ccm的生产装置及方法，制备过程中，催化剂溶液通过涂覆在转印膜上，避免了质子交换膜与催化剂溶液直接接触时因溶胀皱褶，而引起膜的变形对后续工艺造成不良影响，并且可以同时制备和转印阴极和阳极催化剂层，与传统工艺只能先制备一面催化剂层后，再进行另一面催化剂层的制备相比，有效节省了ccm生产所需要的时间，而且与传统工艺中的逐片制备的方法相比，生产连续性更好，便于实现质子交换膜燃料电池连续和规模化的生产，极大的提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种质子交换膜燃料电池ccm的生产方法的流程图。

图2为本发明提供的一种质子交换膜燃料电池ccm的生产装置的结构示意图。

图3为本发明提供的质子交换膜燃料电池ccm的生产装置中，第一涂布机和第二涂布机的结构示意图。

图4为本发明提供的质子交换膜燃料电池ccm的生产装置中，辊压机构的的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本发明提供的一种质子交换膜燃料电池ccm的生产方法，包括步骤：

a.利用两个涂布机分别在两块连续的转印膜上涂布催化剂溶液，制得阳极催化剂层和阴极催化剂层。

首先，需要预先制备催化剂溶液，具体方法为：把催化剂、膜溶液、有机溶剂、去离子水混合，并通过磁力搅拌、超声或者剪切乳化设备分散均匀制得所述催化剂溶液。其中，有机溶剂可以但不限于是乙醇、异丙醇、甘油等；催化剂一般是贵金属催化剂，包括但不限于pt系催化剂、非pt系催化剂。

然后，把制备得到的催化剂溶液装入涂布机中进行涂布。

该涂布机可以是喷涂机或刮刀式涂布机（其使用涂布刮刀进行涂覆）；优选采用超声波喷涂机进行喷涂，得到的催化剂层的厚度较均匀。

b.利用压辊把步骤a中的两块转印膜上的催化剂层同时转印到一块连续的质子交换膜的两面（阳极催化剂层和阴极催化剂层分别转印在不同表面）。

其中，所述转印膜可以但不限于是聚酯薄膜pet、聚乙烯薄膜pe或聚丙烯薄膜opp，其表面涂布有硅胶离型剂，其厚度为50μm～200μm。该转印膜在剥离时具有极轻且稳定的离型力，且没有迁移现象，热稳定性良好。

优选的，转印时可利用两组压辊进行两次辊压。第一次辊压可把催化剂层附着在质子交换膜上，第二辊压可消除辊压中产生的应力，从而使得催化剂层更有效地被辊压至质子交换膜上。

进一步的,转印时，辊压压力为0.5mpa～150mpa，辊压速度（即转印膜及质子交换膜的移动速度）为5mm/s～100mm/s。对于上述的催化剂溶液和转印膜，采用该压力和速度得到的转印效果较佳。

c.利用剥离机构把转印后的转印膜从质子交换膜上剥离。

具体的，剥离机构包括两根收卷辊，把两块转印膜分别绕卷在该两根收卷辊上，收卷辊转动时可把转印膜从质子交换膜上剥离。

步骤c后还可包括步骤d：把转印后的质子交换膜按需要的此处进行切割得到成品。

请参阅图2-4，本发明还提供一种实现上述生产方法的质子交换膜燃料电池ccm的生产装置，包括第一涂布机1、第二涂布机2、辊压机构3、剥离机构4、以及导向辊组5；第一涂布机1用于向一块连续的转印膜90涂布催化剂溶液从而制得阳极催化剂层；第二涂布机2用于向另一块连续的转印膜91涂布催化剂溶液从而制得阴极催化剂层；辊压机构3用于把该两块转印膜（90、91）与一块连续的质子交换膜92辊压在一起，从而把阳极催化剂层和阴极催化剂层分别转印在质子交换膜92的两面；剥离机构4用于把两块转印后的转印膜从质子交换膜上剥离；所述导向辊组5用于把两块转印膜和子交换膜导向辊压机构3。

该生产装置工作时，使一块连续的转印膜90穿过第一涂布机1，同时使另一块连续的转印膜91穿过第二涂布机2，该两块转印膜从各自的涂布机出来后由导向辊组5分别导向至一块连续的质子交换膜92的上下表面，然后一同导向进辊压机构3，由辊压机构3把阳极催化剂层和阴极催化剂层分别转印在质子交换膜92的两面，最后由剥离机构4把转印膜剥离。

具体的，见图3，所述第一涂布机1和第二涂布机2均为超声波喷涂机，其喷涂的催化剂层的厚度较均匀，具体包括机台1.1（2.1），以及若干个设置在机台上方的喷头1.2（2.2）；这些喷头沿转印膜90（91）的宽度方向排布。喷头的数量根据转印膜的实际宽度设置，宽度越大数量越多，以保证能覆盖整个转印膜。

进一步的，该第一涂布机1和第二涂布机2还包括用于存储催化剂溶液的储液箱（图中没画）。

其中，机台1.1（2.1）可以但不限于是于铝合金、聚四氟乙烯板等，其上表面平整度在25丝以内。

进一步的，该第一涂布机1和第二涂布机2还包括涂布机架1.3（2.3），所述喷头和机台均设置在该涂布机架上。

一些实施方式中，该第一涂布机1和第二涂布机2还包括设置在机台上下游的滚轴1.4（2.4），该滚轴上侧高度与机台齐平，以承托住转印膜，避免转印膜与机台边缘刮擦。

优选的，该第一涂布机1和第二涂布机2的喷涂速度可调，可根据转印膜的实际移动速度调节其喷涂速度，以得到需要的催化剂层厚度。

具体的，见图4，所述辊压机构3包括机架3.1，设置在机架3.1上的第一压辊组3.2，以及电机（图中没画）；第一压辊组3.2包括第一主动压辊3.2a和第一从动压辊3.2b，第一主动压辊3.2a由电机驱动。两块转印膜和质子交换膜通过第一主动压辊3.2a和第一从动压辊3.2b之间时，会受到压力从而把催化剂层转印到质子交换膜上，同时第一压辊组3.2对它们产生牵引力使其移动。

一些实施方式中，所述辊压机构3还包括设置在第一压辊组3.2下游的第二压辊组3.3，该第二压辊组3.3包括第二主动压辊3.3a和第二从动压辊3.3b。第一次辊压可把催化剂层附着在质子交换膜上，第二辊压可消除辊压中产生的应力，从而使得催化剂层更有效地被辊压至质子交换膜上。其中，第二主动压辊3.3a可单独由一个电机驱动，也可与第一主动压辊3.2a通过同一个电机驱动。

优选的，第一从动压辊3.2b和第二从动压辊3.3b的高度可调，通过调节其高度可调节辊压压力。此处对实现从动压辊上下移动的方式不作限定，可根据需要设置对应的上下调节机构，例如，可设置两个气缸，分别与从动压辊两端连接，以驱动从动压辊上下移动。

具体的，见图2，所述剥离机构4包括设置在质子交换膜92上方的第一收卷辊4.1，以及设置在质子交换膜92下方的第二收卷辊4.2。把转印膜绕卷在收卷辊上，当收卷辊转动时，可把转印膜从剥离机构剥离，并实现转印膜的回收。该第一收卷辊4.1和第二收卷辊4.2是有伺服电机驱动的，随着收卷长度的增加可调节转速，以保证收卷速度与辊压速度匹配。

具体的，见图2，所述导向辊组5包括多根导向辊5.1，包括设置在第一涂布机1和第二涂布机2出口处的用于使转印膜转向的导向辊5.1a，以及用于把转印膜贴合到质子交换膜92上的导向辊5.1b。

上述的质子交换膜燃料电池ccm的生产方法工艺过程简单易实现，采用转印膜作为转印催化剂层的介质，可以同时进行在转印膜上阴极和阳极催化剂层的制备，将载有阳极催化剂层的转印膜、质子交换膜、载有阴极催化剂层的转印膜三者辊压，经压合后催化剂层转印至质子交换膜上，剥离转印膜后得到ccm。

制备过程中，催化剂溶液通过超声喷涂或涂布刮刀的方式涂覆在转印膜上，避免了质子膜与催化剂溶液直接接触时因溶胀皱褶，而引起膜的变形对后续工艺造成不良影响，并且可以同时制备和转印阴极和阳极催化剂层，与传统工艺只能先制备一面催化剂层后，再进行另一面催化剂层的制备相比，有效节省了ccm生产所需要的时间，而且与传统工艺中的逐片制备的方法相比，生产连续性更好，应用于生产线时能够实现质子交换膜燃料电池膜电极连续和规模化的生产，极大的提高了生产效率。

以下通过具体实施例进行进一步说明：

实施例一

本实施例提供一种对质子膜损伤小、稳定性高、易于生产的燃料电池ccm的生产装置及方法。

预先准备阶段，由pt/c催化剂和膜溶液按一定比例混合，并加入一种或者几种有机溶剂（包括但不限于乙醇、异丙醇、甘油等）混合物，再与一定的去离子水混合，先用磁力搅拌0.5h，再用超声或者剪切乳化设备分散1h，获得分散均匀的催化剂溶液。再将阴阳极催化剂溶液分别装入第一涂布机1和第二涂布机2中。

选择转印膜，底材为聚乙烯薄膜pe涂覆硅油的pe离型膜，其他材质可以选择为聚酯薄膜pet、聚丙烯薄膜opp等，pe离型膜厚度为75μm，因采用超声喷涂，所需催化剂溶液粘度和固含量较小，所以选择轻离型力，离型力范围在3～5g之间。

在第一涂布机1中，转印膜90涂覆有硅油的一面为离型面，此面朝上，经喷头1.2向转印膜90的离型面喷涂分散均匀催化剂溶液，此处因所需制备的ccm尺寸，选择并行排列的三个喷头同时工作。

同样地，在第二涂布机2中完成转印膜91的喷涂；不同之处在于，喷涂完后，转印膜90需要通过导向辊使其涂有催化剂层的一面转向朝下，而转印膜91涂有催化剂层的一面保持朝上。

质子交换膜92、载有阳极催化剂层的转印膜90和载有阴极催化剂层的转印膜膜91进入辊压机构3中。经第一压辊组3.2辊压，使得转印膜上的催化剂层附着在质子交换膜92上，再第二压辊组3.3辊压，消除辊压中产生的应力，使得催化剂层最终被辊压至质子交换膜92上。

辊压后的阳极转印膜和阴极转印膜被剥离机构4中的第一收卷辊4.1和第二收卷辊4.2分别剥离回收，获得载有阳极催化剂层和阴极催化剂层的质子交换膜，即3-layer的ccm。

本实施例的优点在于利用转印膜材质的特性，剥离时表现出极轻且稳定的离型力，且没有迁移现象，热稳定性良好，用于生产燃料电池膜电极组件ccm，避免了催化剂溶液直接作用于质子膜表面时因膜的溶胀皱褶，对后续制备膜电极造成不良影响，且有效节省了ccm生产所需要的时间，便于实现质子交换膜燃料电池连续和规模化的生产，极大的提高了生产效率。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，其方案与本发明实质上相同。