用于燃料电池膜电极制备的卷对卷涂布系统的制作方法

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池膜涂布系统，尤其涉及一种用于燃料电池膜电极制备的卷对卷涂布系统。

背景技术：

燃料电池是采用氢气或甲醇等作为原料的发电产热装置，具有高能量转化效率，高能量密度，无污染零排放等优点。随着化石能源枯竭以及环境日益污染严重，清洁高效的能源转化装置是未来的发展趋势。而现有的燃料生产规模远不能满足日益增长的燃料电池电堆的需求。

现有的燃料电池膜电极生产多采用刮涂或丝印的方式，采用该方式的优点在是可以提高生产效率，但缺点是刮涂或丝印制备的涂层十分密实，不利于反应气体的渗透和扩散，以及该涂层会发生龟裂等现象，造成横向电子传递电阻变大和发生水淹等问题。

采用狭缝式挤压涂布或超声涂布有利于提供燃料电池膜电极涂层的均匀性和孔隙率，采用该方式制备的膜电极性能显著高于采用刮涂或丝印的方式。由于目前采用超声喷涂的方式都较为复杂，多采用预先裁剪成块状料再使用夹具固定后进行涂布，多见于实验室的小批量制备；或是采用真空吸附传送带进行涂布，无法做到卷对卷的连续化涂布。也鲜有狭缝式挤压涂布用于燃料电池制备的报道。

现有的燃料电池生产线无法满足燃料电池展现最佳性能的生产要求以及无法规模化量产。针对这些问题，如今迫切需要设计一种新的喷头系统，以便克服现有系统存在的上述缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于燃料电池膜电极制备的卷对卷涂布系统，可极大缩减设备占地面积，减少人工操作步骤，提供材料利用效率，提高生产效率，真正实现燃料电池的连续化生产。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于燃料电池膜电极制备的卷对卷涂布系统，所述涂布系统包括：水氢发电机供电系统、牵引装置、第一涂布装置、第二涂布装置、翻转装置、剥离装置、烘干装置；

所述第一涂布装置和第二涂布装置采用狭缝式挤压涂布或超声喷涂方式，第一涂布装置或第二涂布装置能同时使用两种涂布方式；

质子交换膜卷材在牵引装置作用下经过第一涂布装置进行涂布，涂布后经过翻转装置翻转，同时剥离背膜，进入第二涂布装置进行涂布，涂布后得到烘干后进行收卷；

所述第一涂布装置、第二涂布装置采用卷对卷的涂布方式，在放卷辊端进行放料，涂布完两面后再经过收卷辊端进行收卷；

所述牵引装置包括放卷辊、收卷辊，质子交换膜在放卷辊端放料，质子交换膜在拉力作用下经过第一涂布装置、翻转装置、第二涂布装置、剥离装置、烘干装置后，通过收卷辊收集；

卷状的质子交换膜置于放卷辊上，经牵引进入到第一涂布装置进行涂布，涂布完后进入到烘干装置中进行烘烤，经背膜剥离装置剥离背膜，质子交换膜经翻转装置进行翻转进入到第二涂布装置涂布质子交换膜背面；涂布完质子交换膜背面后在收卷辊进行收卷；

所述第一涂布装置、第二涂布装置分别包括至少两套涂布系统，涂布系统通过机械臂移动，两套涂布系统各通过感应系统进行联用,感应系统由激光器、激光检测器、测量电路组成,当感应系统检测到质子交换膜运动到超声涂布下方时启动涂布装置；

所述第一涂布装置、第二涂布装置采用两套装置叠放的方式，正面涂布在上层涂布装置进行，涂布完后进行翻转再进入到下层涂布装置进行涂布反面；或者，所述第一涂布装置、第二涂布装置采用两套装置叠放的方式，正面涂布在下层涂布装置进行，涂布完后进行翻转再进入到上层涂布装置进行涂布反面；

所述翻转装置通过反向旋转辊轴使质子交换膜进行翻转，反向旋转轴旋转速度与放卷辊、收卷辊协调；反向旋转辊轴采用聚四氟乙烯材质；

所述剥离装置与翻转装置联用，执行质子交换膜翻转的同时剥离质子交换膜背膜，剥离装置含起剥器、夹持器、旋转轴；被剥离的背膜与质子交换膜运动方向相反；

所述烘干装置采用电加热方式，包括设置于底部的电热板及电热鼓风机，采用接触式电热板加热和电热鼓风干燥配合使用的方式对质子交换膜涂层进行烘干；同时采用气体循环装置将该涂布设备系统的废气及时进行流通替换；电热鼓风机设置于干燥管路内；

所述背膜缠绕装置采用与剥离装置相同或相反的旋转方向对剥离的背膜进行缠绕回收；该背膜缠绕装置的旋转辊轴旋转周径与剥离装置的辊轴旋转周径相同；

所述水氢发电机供电系统分别连接牵引装置、第一涂布装置、第二涂布装置、翻转装置、剥离装置、烘干装置，为其提供电能；

所述水氢发电机供电系统包括甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、dc/dc电源模块，甲醇水重整制氢装置、氢燃料电池、dc/dc电源模块依次连接；甲醇水重整制氢装置连接甲醇水存储容器，甲醇水重整制氢装置设有液体泵，液体泵将甲醇水存储容器内的甲醇水原料输送至甲醇水重整制氢装置；甲醇水重整制氢装置利用甲醇水原料重整制得氢气，将制得的氢气输送至氢燃料电池；氢燃料电池设有气泵，气泵将含氧气体泵入氢燃料电池；氢燃料电池利用氢气及氧气发生氧化还原反应发出直流电，并生成水；氢燃料电池发出的直流电通过dc/dc电源模块处理后输出；

所述甲醇水重整制氢装置设有第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路，第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路用来排放甲醇水重整制氢装置释放的高温尾气；第一高温尾气排放管路、第二高温尾气排放管路分别设有第一电磁阀、第二电磁阀；第二高温尾气排放管路将高温尾气直接排放至大气；

所述烘干装置还包括高温尾气辅助加热机构，高温尾气辅助加热机构连接第一高温尾气排放管路，利用第一高温尾气排放管路排放的高温尾气对质子交换膜涂层进行辅助烘干；高温尾气辅助加热机构包括高温尾气输送管路，高温尾气输送管路连接所述干燥管路。

一种用于燃料电池膜电极制备的卷对卷涂布系统，所述系统包括：牵引装置、第一涂布装置、第二涂布装置、翻转装置、剥离装置、烘干装置；

质子交换膜卷材在牵引装置作用下经过第一涂布装置进行涂布，涂布后经过翻转装置翻转，同时剥离背膜，进入第二涂布装置进行涂布，涂布后得到烘干后进行收卷。

作为本发明的一种优选方案，所述涂布装置采用卷对卷的涂布方式，在放卷辊端进行放料，涂布完两面后再经过收卷辊端进行收卷；

所述牵引装置包括放卷辊、收卷辊，质子交换膜在放卷辊端放料，质子交换膜在拉力作用下经过涂布装置、翻转装置、剥离装置、烘干装置等后，通过收卷辊收集。

作为本发明的一种优选方案，卷状的质子交换膜置于放卷辊上，经牵引进入到涂布装置进行涂布，涂布完后进入到烘干装置中进行烘烤，经背膜剥离装置剥离背膜，质子交换膜经翻转装置进行翻转进入到涂布装置涂布质子交换膜背面。涂布完质子交换膜背面后在收卷辊进行收卷。

作为本发明的一种优选方案，所述第一涂布装置、第二涂布装置至少包括两套涂布系统，涂布系统通过机械臂移动，两套涂布系统通过感应系统进行联用。

作为本发明的一种优选方案，所述第一涂布装置、第二涂布装置数量成倍增加以进一步提高涂布效率和提高涂层的均匀性和满足厚度要求，或者不同各涂层进行分层涂布不同浆料。

作为本发明的一种优选方案，所述第一涂布装置、第二涂布装置采用两套装置叠放的方式，正面涂布在上层涂布装置进行，涂布完后进行翻转再进入到下层涂布装置进行涂布反面；

或者，所述第一涂布装置、第二涂布装置采用两套装置叠放的方式，正面涂布在下层涂布装置进行，涂布完后进行翻转再进入到上层涂布装置进行涂布反面。

作为本发明的一种优选方案，所述翻转装置通过反向旋转辊轴使质子交换膜进行翻转，反向旋转轴旋转速度与放卷辊、收卷辊协调；反向旋转辊轴采用聚四氟乙烯材质；

所述剥离装置与翻转装置联用，执行质子交换膜翻转的同时剥离质子交换膜背膜，剥离装置含起剥器、夹持器、旋转轴；被剥离的背膜与质子交换膜运动方向相反。

作为本发明的一种优选方案，所述烘干装置采用电加热方式，采用电热板加热和鼓风干燥配合使用的方式对质子交换膜涂层进行烘干；同时采用气体循环装置将该涂布设备系统的废气及时进行流通替换。

作为本发明的一种优选方案，所述背膜缠绕装置采用与剥离装置相同或相反的旋转方向对剥离的背膜进行缠绕回收；该背膜缠绕装置的旋转辊轴旋转周径与剥离装置的辊轴旋转周径相同。

本发明的有益效果在于：本发明提出的用于燃料电池膜电极制备的卷对卷涂布系统，能有效减小提高燃料电池膜电极的制备效率和提高燃料电池膜电极的性能，以及能缩减现有涂覆生产线的占地面积。同时采用卷对卷的涂布方案，相比采用块状涂布的方案，极大减少了人工的操作难度，有利于后续工序的进行，为实现大规模化燃料电池生产成为可能。

附图说明

图1为本发明卷对卷涂布系统的结构示意图。

图2为实施例二中本发明卷对卷涂布系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图1，本发明揭示了一种燃料电池膜电极涂布系统，该涂布系统包括牵引装置、两套涂布系统，翻转装置、剥离装置、烘干装置等。

根据一个示例实施方式，质子交换膜卷材在牵引装置作用下经过涂布装置进行涂布，涂布后经过翻转辊翻转同时剥离背膜，进入第二涂布装置进行涂布，涂布后得到烘干后进行收卷。

该装置采用卷对卷的涂布方式，在放卷辊端进行放料，涂布完两面后再经过收卷辊端进行收卷。

牵引装置包括放卷辊1、收卷辊2，质子交换膜在放卷辊端放料，质子交换膜在拉力作用下经过涂布装置、翻转装置、剥离装置、烘干装置等后，通过收卷辊收集。

涂布装置3和4包括两套涂布系统，涂布系统可以通过机械臂移动，两套涂布系统通过感应系统进行联用，质子交换膜经涂布装置3涂布完成后进入到涂布装置4下方时通过感应系统检测到质子交换膜到达指定位置时，开始启动涂布装置进行涂布。

涂布装置3和4数量可以根据要求成倍增加以进一步提高涂布效率和提高涂层的均匀性和满足厚度要求，或者不同各涂层进行分层涂布不同浆料。

上述的涂布装置3和4可采用两套装置叠放的方式，可以正面涂布在上层涂布装置进行，涂布完后进行翻转再进入到下层涂布装置进行涂布反面。

上述的涂布装置3和4可采用两套装置叠放的方式，可以正面涂布在下层涂布装置进行，涂布完后进行翻转再进入到上层涂布装置进行涂布反面。

翻转装置8通过反向旋转辊轴使质子交换膜进行翻转，反向旋转轴旋转速度与放卷辊、收卷辊协调。反向旋转辊轴采用聚四氟乙烯等材质。

剥离装置5与翻转装置8联用，执行质子交换膜翻转的同时剥离质子交换膜背膜，剥离装置含起剥器、夹持器、旋转轴。被剥离的背膜与质子交换膜运动方向相反。

烘干装置7采用电加热方式，采用电热板加热和鼓风干燥配合使用的方式对质子交换膜涂层进行烘干。同时采用气体循环装置将该涂布设备系统的废气及时进行流通替换。

背膜缠绕装置6采用与剥离装置5相同或相反的旋转方向对剥离的背膜进行缠绕回收。该装置6的旋转辊轴旋转周径与剥离装置5的辊轴旋转周径相同。

该涂布装置有效减小提高燃料电池膜电极的制备效率和提高燃料电池膜电极的性能，以及能缩减现有涂覆生产线的占地面积。同时采用卷对卷的涂布方案，相比采用块状涂布的方案，极大减少了人工的操作难度，有利于后续工序的进行，为实现大规模化燃料电池生产成为可能。

如图1所示，卷状的质子交换膜置于放卷辊2上，经牵引进入到涂布装置4进行涂布，涂布完后进入到烘干装置7中进行烘烤，经背膜剥离装置5剥离背膜，质子交换膜经翻转装置8进行翻转进入到涂布装置3涂布质子交换膜背面。涂布完质子交换膜背面后在收卷辊1进行收卷。

实施例二

请参阅图2，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述涂布系统还包括水氢发电机供电系统；所述水氢发电机供电系统分别连接牵引装置、第一涂布装置、第二涂布装置、翻转装置、剥离装置、烘干装置，为其提供电能。

所述水氢发电机供电系统包括甲醇水重整制氢装置31、氢燃料电池32、dc/dc电源模块(图未示)，甲醇水重整制氢装置31、氢燃料电池32、dc/dc电源模块依次连接。甲醇水重整制氢装置31连接甲醇水存储容器40，甲醇水重整制氢装置31设有液体泵34，液体泵34将甲醇水存储容器40内的甲醇水原料输送至甲醇水重整制氢装置31；甲醇水重整制氢装置31利用甲醇水原料重整制得氢气，将制得的氢气输送至氢燃料电池32；氢燃料电池32设有气泵33，气泵33将含氧气体泵入氢燃料电池32；氢燃料电池32利用氢气及氧气发生氧化还原反应发出直流电，并生成水；氢燃料电池32发出的直流电通过dc/dc电源模块处理后输出。

水氢机的基本组成是本领域技术人员可以根据本申请人的相关专利能基本实现的(如四件授权的专利：中国专利cn201210339912.2，一种利用甲醇水制备氢气的系统及方法；中国专利cn201310578035.9，即时制氢发电系统及方法；中国专利cn201310520538.0,一种即时制氢发电系统及方法；中国专利cn201410621689.x，甲醇水制氢系统的重整器、甲醇水制氢系统及制氢方法)，这里不做赘述。

此外，为了吹塑机能够平稳工作，同时避免水氢机一直处于工作状态，水氢机连接一电池20(可以为锂电池)，在水氢机30开始稳定工作前(或者用户需求用电量很小，无需水氢机30启动时)为吹塑机的需电部分供电，当水氢机30存在富余电量时，为电池充电。原料存储容器40可以设置液位传感器，用来感应原料存储容器40内的原料余量，当余量低于设定值时可发出报警。

所述甲醇水重整制氢装置31设有第一高温尾气排放管路311、第二高温尾气排放管路312，第一高温尾气排放管路311、第二高温尾气排放管路312用来排放甲醇水重整制氢装置31释放的高温尾气；第一高温尾气排放管路311、第二高温尾气排放管路312分别设有第一电磁阀313、第二电磁阀314；第二高温尾气排放管路312将高温尾气直接排放至大气。

所述烘干装置7还包括高温尾气辅助加热机构，高温尾气辅助加热机构连接第一高温尾气排放管路311，利用第一高温尾气排放管路311排放的高温尾气对质子交换膜涂层进行辅助烘干；高温尾气辅助加热机构包括高温尾气输送管路，高温尾气输送管路连接所述干燥管路；当然，也可以是不直接连接，而通过金属管路导热(或对即将进入干燥管路的气流进行预热)，可以利用高温尾气干燥，降低能耗。

综上所述，本发明提出的用于燃料电池膜电极制备的卷对卷涂布系统，能有效减小提高燃料电池膜电极的制备效率和提高燃料电池膜电极的性能，以及能缩减现有涂覆生产线的占地面积。同时采用卷对卷的涂布方案，相比采用块状涂布的方案，极大减少了人工的操作难度，有利于后续工序的进行，为实现大规模化燃料电池生产成为可能。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。