CN107171008A - 膜电极的制备系统、膜电极的制备方法及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膜电极的制备系统、膜电极的制备方法及燃料电池。该膜电极的制备系统包括：边框薄膜制备系统，用于形成具有镂空区域的边框薄膜；层压系统，用于将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜；催化剂喷涂系统，用于对复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成膜电极；其中，边框薄膜制备系统、层压系统和催化剂喷涂系统沿物料的传输方向依次设置。采用上述制备系统提高了催化剂的利用率，降低了催化剂的用量，使催化剂层与质子交换膜更好地接触，从而提高了质子传导性，提高了电池性能，进而使采用上述制备系统的膜电极制备工艺能够适用于工业化批量生产，且成本较低。

Description

膜电极的制备系统、膜电极的制备方法及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种膜电极的制备系统、膜电极的制备方法及燃料电池。

背景技术

目前膜电极按照结构不同可以分为CDM法和CCM法两种。其中，CDM法通常是将催化剂层制备到扩散层表面，形成扩散电极，然后将扩散电极与质子交换膜通过一定的工艺结合在一起。然而，在上述CDM法制备膜电极的工艺中，制得的扩散电极与质子交换膜的接触不够紧密，界面电阻较大，不利于质子传输，且催化剂层需要很厚，成本较高。因此，目前应用较为普遍的是CCM法，CCM法是通过将催化剂制备到质子交换膜上形成覆有催化剂的膜，再与扩散层结合在一起，这种方法可以提高催化剂的利用率，进一步降低Pt的用量，催化剂层与质子交换膜接触也更好，从而提高了质子传导性，提高了电池性能。

CCM法主要分为间接法和直接法，间接CCM法制备膜电极的工艺主要通过将配制的催化剂浆料印刷、浇铸或喷涂在某种承印介质材料(如PTFE膜等)表面，然后通过热压将活性催化剂层转移到质子交换膜表面的方法；上述直接法制备膜电极的工艺是指将催化剂直接喷涂在质子交换膜表面从而制备膜电极的方法，工艺中通常采用框架将质子交换膜固定于喷涂平台上，并用真空吸附的方式使质子交换膜保持平整，然后将催化剂浆料直接喷涂在质子交换膜上，喷涂过程中采用加热或者光照的方式，瞬间将浆料中的熔剂挥发掉。

然而，上述间接法制备CCM膜电极的不足之处在于温度和压力对膜以及催化剂在膜上附着强度有影响，而且在热压时，膜和转移介质接触的边缘由于受力不均匀，容易被破坏；另外，在转移过程中，由于热压使得部分催化剂黏在转移介质上使得催化剂利用率下降，且转移介质由于经常受热压而容易变形不能重复使用，增加制备成本。而对于已公布的直接法制备CCM膜电极，其仅仅是一种实验室小量的制备工艺不适合工业化生产。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种膜电极的制备系统、膜电极的制备方法及燃料电池，以解决现有技术中膜电极的生产工艺不适用于工业化生产的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种膜电极的制备系统，包括：边框薄膜制备系统，用于形成具有镂空区域的边框薄膜；层压系统，用于将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜；催化剂喷涂系统，用于对复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成膜电极；其中，边框薄膜制备系统、层压系统和催化剂喷涂系统沿物料的传输方向依次设置。

进一步地，还包括传输装置，传输装置用于传输物料，传输装置包括第一传输装置，边框薄膜制备系统包括沿第一传输装置的传输方向依次设置的放卷设备、胶黏剂涂布设备、干燥设备和模切设备。

进一步地，干燥设备为烘箱，烘箱中烘道的长度为3～15m。

进一步地，层压系统包括辊压机，传输装置还包括与第一传输装置连接的第二传输装置，用于将边框薄膜和质子交换膜送入辊压机中。

进一步地，传输装置还包括与第二传输装置连接的第三传输装置，催化剂喷涂系统包括沿第三传输装置的传输方向依次设置的催化剂喷涂设备和收卷设备，第三传输装置与第二传输装置连接。

进一步地，催化剂喷涂设备包括第一喷涂组件和第二喷涂组件，第一喷涂组件和第二喷涂组件相对设置于第三传输装置的两侧。

进一步地，制备方法包括以下步骤：S1，将预制薄膜形成具有镂空区域的边框薄膜；S2，将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜；S3，对复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成膜电极。

进一步地，预制薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜或聚萘二甲酸乙二醇酯膜。

进一步地，步骤S1包括：步骤S11，在预制薄膜的一侧表面涂布胶黏剂，以形成胶黏层；步骤S12，对预制薄膜和胶黏层进行干燥处理，以形成固化薄膜；步骤S13，对固化薄膜进行模切处理，以得到边框薄膜。

进一步地，在步骤S11中，胶黏剂在一侧表面的涂布速率为1～3m/min。

进一步地，在步骤S11中，胶黏剂包括环氧树脂、聚醋酸乙烯、聚丙烯酸树脂和聚乙烯醇缩丁醛中的任一种或多种。

进一步地，胶黏层的厚度为5～100μm。

进一步地，在步骤S12中，干燥处理的温度为50～130℃。

进一步地，步骤S2包括：步骤S21，将两个边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧，以形成待层压薄膜；步骤S22，对待层压薄膜进行层压，层压的温度为50～80℃，压力为0.1～0.2MPa。

进一步地，膜电极用于制备燃料电池，边框薄膜的镂空区域的面积与预设的燃料电池的反应区域的面积相等。

应用本发明的技术方案，提供了一种膜电极的制备系统，由于该制备系统包括边框薄膜制备系统、层压系统和催化剂喷涂系统，且边框薄膜制备系统用于形成具有镂空区域的边框薄膜，层压系统用于将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜，催化剂喷涂系统用于对复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成膜电极，从而通过在质子交换膜的两侧设置具有镂空区域的边框薄膜，无需通过框架将质子交换膜固定，即实现了催化剂在所需区域的喷涂，从而提高了催化剂的利用率，降低了催化剂的用量，使催化剂层与质子交换膜更好地接触，从而提高了质子传导性，提高了电池性能，进而使采用上述制备系统的膜电极制备工艺能够适用于工业化批量生产，且成本较低。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施方式所提供的一种膜电极的制备系统的结构示意图；以及

图2示出了本发明实施方式所提供的膜电极的制备方法的流程示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、边框薄膜制备系统；110、放卷设备；120、胶黏剂涂布设备；130、干燥设备；140、模切设备；20、层压系统；210、辊压机；30、催化剂喷涂系统；311、第一喷涂组件；312、第二喷涂组件；320、收卷设备；40、传输装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中直接法制备CCM膜电极，其仅仅是一种实验室小量的制备工艺不适合工业化生产。本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种膜电极的制备系统，如图1所示，包括：边框薄膜制备系统10，用于形成具有镂空区域的边框薄膜；层压系统20，用于将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜；催化剂喷涂系统30，用于对复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成膜电极；其中，边框薄膜制备系统10、层压系统20和催化剂喷涂系统30沿物料的传输方向依次设置。

本发明的上述膜电极的制备系统中由于包括边框薄膜制备系统、层压系统和催化剂喷涂系统，且边框薄膜制备系统用于形成具有镂空区域的边框薄膜，层压系统用于将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜，催化剂喷涂系统用于对复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成膜电极，从而通过在质子交换膜的两侧设置具有镂空区域的边框薄膜，无需通过框架将质子交换膜固定，即实现了催化剂在所需区域的喷涂，从而提高了催化剂的利用率，降低了催化剂的用量，使催化剂层与质子交换膜更好地接触，从而提高了质子传导性，提高了电池性能，进而使采用上述制备系统的膜电极制备工艺能够适用于工业化批量生产，且成本较低。

为了提高上述膜电极的制备系统的操作效率，优选地，制备系统还包括传输装置40，传输装置40用于传输物料，传输装置40包括第一传输装置，边框薄膜制备系统10包括沿第一传输装置的传输方向依次设置的放卷设备110、胶黏剂涂布设备120、干燥设备130和模切设备140。上述干燥设备130能够实现对胶黏剂的快速干燥，从而快速进入下一步骤工序，以提高生产效率。

在操作上述边框薄膜制备系统10时，首先将预制薄膜的卷膜设置于放卷设备110上，放卷设备110上的预制薄膜通过第一传输装置传输至胶黏剂涂布设备120中进行胶黏剂的涂布，以在预制薄膜上形成胶黏层，并且，上述预制薄膜优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜或聚萘二甲酸乙二醇酯膜；然后，表面涂布有胶黏层的预制薄膜再通过第一传输装置传输至干燥设备130中干燥以形成固化薄膜；最后，上述固化薄膜再通过第一传输装置传输至模切设备140中进行模切处理，以得到具有镂空区域的边框薄膜，上述镂空区域根据预设的燃料电池的反应区域进行设计，优选地，边框薄膜的镂空区域的面积与预设的燃料电池的反应区域的面积相等。上述边框薄膜不仅起到固定质子交换膜，使其在喷涂过程中不易变形褶皱的作用，还能够减少质子交换膜使用面积，降低成本，因质子交换膜价格昂贵。

在本发明的上述边框薄膜制备系统10中，为了提高边框薄膜表面的粘附性，优选地，上述胶黏剂涂布设备120中向预制薄膜表面涂布的胶黏剂包括环氧树脂、聚醋酸乙烯、聚丙烯酸树脂和聚乙烯醇缩丁醛中的任一种或多种，更为优选地，形成的胶黏层的厚度为5～100μm；并且，优选地，第一传输装置在通过胶黏剂涂布设备120的传输速率为1～3m/min。为了提高上述干燥设备130的干燥效率，优选地，干燥设备130为烘箱，烘箱中烘道的长度为3～15m；并且，优选地，干燥设备130中干燥处理的温度为50～130℃。

在本发明的上述制备系统中，为了提高层压系统20的层压效果，优选地，层压系统20包括辊压机210，传输装置40还包括与第一传输装置连接的第二传输装置，用于将边框薄膜和质子交换膜送入辊压机210中；更为优选地，上述辊压机210内的温度为50～80℃，压力为0.1～0.2MPa。

在操作上述层压系统20时，首先，通过将两层边框薄膜和质子交换膜设置在不同的薄膜传输装置上，从而通过薄膜传输装置的传输将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧，以形成待层压薄膜；然后，待层压薄膜通过上述第二传输装置传输至辊压机210中进行层压，以形成复合薄膜。

在本发明的上述制备系统中，传输装置40还可以包括与第二传输装置连接的第三传输装置，催化剂喷涂系统30可以包括沿第三传输装置的传输方向依次设置的催化剂喷涂设备和收卷设备320，第三传输装置与第二传输装置连接。

在操作上述催化剂喷涂系统30时，首先，与第二传输装置连接的第三传输装置将上述复合薄膜输送至催化剂喷涂设备中，上述催化剂喷涂设备对复合薄膜的两侧表面进行催化剂的喷涂，本领域技术人员可以根据现有技术对上述催化剂的种类进行合理选取，并且，为了提高催化剂的喷涂效率，优选地，催化剂喷涂设备包括第一喷涂组件311和第二喷涂组件312，且第一喷涂组件311和第二喷涂组件312相对设置于第三传输装置的两侧；然后，上述涂覆有催化剂的复合薄膜通过上述第三传输装置传输至收卷设备320中进行收卷，以得到膜电极。

根据本申请的另一个方面，提供了一种膜电极的制备方法，如图2所示，该制备方法包括以下步骤：S1，将预制薄膜形成具有镂空区域的边框薄膜；S2，将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜；S3，对复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成膜电极。

本发明的上述膜电极的制备方法中由于首先形成具有镂空区域的边框薄膜，然后在质子交换膜的两侧设置边框薄膜并进行层压，从而无需通过框架将质子交换膜固定，即能够实现催化剂在所需区域的喷涂，从而提高了催化剂的利用率，降低了催化剂的用量，使催化剂层与质子交换膜更好地接触，提高了质子传导性，提高了电池性能，进而使上述制备方法能够适用于工业化批量生产，且成本较低。

下面将更详细地描述根据本发明提供的膜电极的制备方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

首先，执行步骤S1：将预制薄膜形成具有镂空区域的边框薄膜。在一种优选的实施方式中，步骤S1包括：步骤S11，在预制薄膜的一侧表面涂布胶黏剂，以形成胶黏层；步骤S12，对预制薄膜和胶黏层进行干燥处理，以形成固化薄膜；步骤S13，对固化薄膜进行模切处理，以得到上述边框薄膜，边框薄膜的镂空区域根据预设的燃料电池的反应区域进行设计，优选地，边框薄膜的镂空区域的面积与预设的燃料电池的反应区域的面积相等。

在上述步骤S11中，为了提高边框薄膜表面的粘附性，优选地，胶黏剂包括环氧树脂、聚醋酸乙烯、聚丙烯酸树脂和聚乙烯醇缩丁醛中的任一种或多种，更为优选地，形成的胶黏层的厚度为5～100μm；并且，优选地，胶黏剂在预制薄膜表面的涂布速率为1～3m/min。在上述步骤S12中，为了提高上述干燥处理工艺的干燥效率，优选地，将设置有胶黏层的预制薄膜设置于烘箱中进行干燥处理。更为优选地，烘箱中干燥处理的温度为50～130℃；并且，烘箱中烘道的长度为3～15m。

在完成上述步骤S1之后，执行步骤S2：将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜。上述层压是指将边框薄膜和质子交换膜通过压力复合形成一个完整的薄膜的工艺，为了提高层压效果，在一种优选的实施方式中，步骤S2包括：步骤S21，将两个边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧，以形成待层压薄膜；步骤S22，对待层压薄膜进行层压，层压的温度为50～80℃，压力为0.1～0.2MPa。

在完成上述步骤S2之后，执行步骤S3：对复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成膜电极。本领域技术人员可以根据现有技术对上述催化剂的种类进行合理选取，并且，为了实现催化剂的喷涂效率，优选地，同时采用两个喷涂组件分别对上述复合薄膜相对的两个表面进行催化剂的喷涂。

下面将结合实施例进一步说明本发明提供的膜电极的制备系统及膜电极的制备方法。

实施例1

本实施例提供的膜电极的制备系统包括传输装置以及沿传输装置的传输方向依次设置边框薄膜制备系统、层压系统和催化剂喷涂系统，传输装置包括顺序连接的第一传输装置、第二传输装置和第三传输装置，边框薄膜制备系统包括沿第一传输装置的传输方向依次设置的放卷设备、胶黏剂涂布设备、干燥设备和模切设备，层压系统包括辊压机，催化剂喷涂系统包括沿第三传输装置的传输方向依次设置的催化剂喷涂设备和收卷设备，其中，催化剂喷涂设备包括第一喷涂组件和第二喷涂组件，第一喷涂组件和第二喷涂组件相对设置于第三传输装置的两侧。

实施例2

本实施例提供的膜电极的制备方法采用实施例1中的制备系统，制备方法包括以下步骤：

首先，将聚对苯二甲酸乙二醇酯膜设置于放卷设备上，放卷设备上的预制薄膜通过第一传输装置传输至胶黏剂涂布设备中进行胶黏剂的涂布，以在预制薄膜上形成厚度为50μm的胶黏层，涂布设备中第一传输装置的传输速率为2m/min，上述胶黏剂包括环氧树脂和聚醋酸乙烯，表面涂布有胶黏层的预制薄膜再通过第一传输装置传输至烘箱中干燥以形成固化薄膜，烘箱中烘道的长度为10m，温度为100℃，上述固化薄膜再通过第一传输装置传输至模切设备中进行模切处理，以得到具有镂空区域的边框薄膜，上述镂空区域根据预设的燃料电池的反应区域进行设计。

然后，通过将两层边框薄膜和质子交换膜设置不同的薄膜传输装置上，再通过薄膜传输装置的传输将边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧，以形成待层压薄膜，待层压薄膜通过第二传输装置传输至辊压机中进行层压，以形成复合薄膜，辊压机内的温度为60℃，压力为0.15MPa。

最后，利用第三传输装置将上述复合薄膜输送至催化剂喷涂设备中，上述催化剂喷涂设备对复合薄膜的两侧表面进行催化剂的喷涂，催化剂喷涂设备包括第一喷涂组件和第二喷涂组件，且第一喷涂组件和第二喷涂组件相对设置于第三传输装置的两侧，上述涂覆有催化剂的复合薄膜再通过上述第三传输装置传输至收卷设备中进行收卷，以得到膜电极。

对上述实施例2中膜电极的性能进行测试，从测试结果可以看出上述膜电极具有较低的界面电阻和较高的质子传导性，从而提高了由上述膜电极制备而成的燃料电池的性能；并且，上述制备方法适用于工业化批量生产，且成本较低。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、提高了催化剂的利用率，降低了催化剂的用量，使催化剂层与质子交换膜更好地接触，从而提高了质子传导性，提高了电池性能；

2、采用上述制备系统的膜电极制备工艺能够适用于工业化批量生产，且成本较低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种膜电极的制备系统，其特征在于，包括：

边框薄膜制备系统(10)，用于形成具有镂空区域的边框薄膜；

层压系统(20)，用于将所述边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜；

催化剂喷涂系统(30)，用于对所述复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成所述膜电极；

其中，所述边框薄膜制备系统(10)、所述层压系统(20)和所述催化剂喷涂系统(30)沿物料的传输方向依次设置。

2.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，还包括传输装置(40)，所述传输装置(40)用于传输物料，所述传输装置(40)包括第一传输装置，所述边框薄膜制备系统(10)包括沿所述第一传输装置的传输方向依次设置的放卷设备(110)、胶黏剂涂布设备(120)、干燥设备(130)和模切设备(140)。

3.根据权利要求2所述的制备系统，其特征在于，所述干燥设备(130)为烘箱，所述烘箱中烘道的长度为3～15m。

4.根据权利要求2或3所述的制备系统，其特征在于，所述层压系统(20)包括辊压机(210)，所述传输装置(40)还包括与所述第一传输装置连接的第二传输装置，用于将所述边框薄膜和所述质子交换膜送入所述辊压机(210)中。

5.根据权利要求4所述的制备系统，其特征在于，所述传输装置(40)还包括与所述第二传输装置连接的第三传输装置，所述催化剂喷涂系统(30)包括沿所述第三传输装置的传输方向依次设置的催化剂喷涂设备和收卷设备(320)，所述第三传输装置与所述第二传输装置连接。

6.根据权利要求5所述的制备系统，其特征在于，所述催化剂喷涂设备包括第一喷涂组件(311)和第二喷涂组件(312)，所述第一喷涂组件(311)和所述第二喷涂组件(312)相对设置于所述第三传输装置的两侧。

7.一种膜电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1，将预制薄膜形成具有镂空区域的边框薄膜；

S2，将所述边框薄膜分别设置于质子交换膜的两侧并进行层压，形成复合薄膜；

S3，对所述复合薄膜的两侧表面喷涂催化剂，形成所述膜电极。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述预制薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜或聚萘二甲酸乙二醇酯膜。

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S11，在所述预制薄膜的一侧表面涂布胶黏剂，以形成胶黏层；

步骤S12，对所述预制薄膜和所述胶黏层进行干燥处理，以形成固化薄膜；

步骤S13，对所述固化薄膜进行模切处理，以得到所述边框薄膜。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S11中，所述胶黏剂在所述一侧表面的涂布速率为1～3m/min。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S11中，所述胶黏剂包括环氧树脂、聚醋酸乙烯、聚丙烯酸树脂和聚乙烯醇缩丁醛中的任一种或多种。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述胶黏层的厚度为5～100μm。

13.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S12中，所述干燥处理的温度为50～130℃。

14.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S21，将两个所述边框薄膜分别设置于所述质子交换膜的两侧，以形成待层压薄膜；

步骤S22，对所述待层压薄膜进行层压，所述层压的温度为50～80℃，压力为0.1～0.2MPa。

15.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述膜电极用于制备燃料电池，所述边框薄膜的镂空区域的面积与预设的燃料电池的反应区域的面积相等。