CN108448139A - 一种燃料电池膜电极的制作方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池膜电极的制作方法，包括：在质子交换膜的A面涂布第一电极层后，在质子交换膜A面上复合第一保护膜，然后在质子交换膜的B面涂布第二电极层，最后对第一保护膜进行降粘处理，将第一保护膜剥离得到膜电极，其中，涂布完A面上的第一电极层后，通过第一保护膜对其进行保护，避免在进行第二电极层涂布时，对第一电极层造成损伤，同时在进行第二电极层涂布时，首先检测第一电极层的尺寸，根据第一电极层的尺寸进行第二电极层涂布，使得第一电极层和第二电极层的尺寸对齐，减少了生产报废率，同时公开了制作设备，整个过程采用自动化设备完成，无需采用转移印刷的方式，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜电极的制作方法和设备。
背景技术
燃料电池因低污染甚至无污染被全球认为未来的环保新能源，欧美、日本等国家已经掌握燃料电池的开发技术并已经应用在生产中，如德国巴拉德、日本丰田已量产燃料电池的新能源汽车。燃料电池膜电极(MEA)是由质子交换膜和两侧的催化剂阳极、催化剂阴极组成，膜电极是燃料电池中的核心部件，直接决定燃料电池的性能。
如图1所示，质子交换膜原始材料带有一层原始保护膜102，质子交换膜101中未被原始保护膜102保护的面称为A面，被保护面成为B面，质子交换膜101对温度和水分很敏感，当涂布完A面并剥离保护薄膜102后失去支撑的质子交换膜101容易发生尺寸变形和溶胀，目前国内燃料电池研究机构在制作膜电极的工艺通常采用转移印刷的方式来解决，例如质子交换膜A面直接涂布催化剂阳极，催化剂阴极涂布在另一种薄膜上再转移到质子交换膜B面来实现膜电极的制作。这种工艺的缺点是生产效率低下、转移印刷过程中易对涂布好的催化剂涂层(A面涂层)造成损伤如剥落残留、A/B面涂层尺寸无法对齐、报废率高。
发明内容
为了解决现有技术中膜电极制作时，印刷转移过程容易对A面涂层造成损伤的技术问题，本发明提供一种燃料电池膜电极的制作方法和设备，具体通过以下技术方案予以实现：
一种燃料电池膜电极的制作方法，包括如下步骤：
在质子交换膜的A面涂布第一电极层；
在质子交换膜A面上复合第一保护膜；
在质子交换膜的B面涂布第二电极层；
对第一保护膜进行降粘处理以降低第一保护膜的粘着力；
将第一保护膜剥离得到膜电极。
其中，第一保护膜在降粘处理之前的粘着力范围为：2～50N/25mm，经过所述降粘处理后的粘着力范围为：0～1N/25mm。
其中，降粘处理包括：热处理、光处理、真空处理、化学处理中的至少一种。
其中，质子交换膜的B面设有原始保护膜，所述在质子交换膜的B面涂布第二电极层的步骤之前，还包括步骤：剥离所述原始保护膜。
其中，在质子交换膜的B面涂布第二电极层的步骤，包括：
通过传感器检测A面第一电极层的尺寸；
根据所述第一电极层的尺寸对质子交换膜B面涂布第二电极层，使所述第二电极层与所述第一电极层对齐。
一种燃料电池膜电极的制作设备，包括：
第一放卷装置，用于释放质子交换膜；
第一涂布装置，设置在第一放卷装置的下游，用于对第一放卷装置释放的所述质子交换膜的A面涂布第一电极层；
放卷复合装置，设置在第一涂布装置的下游，用于将第一保护膜复合在质子交换膜的A面上；
第二涂布装置，设置在放卷复合装置的下游，用于对质子交换膜的B面涂布第二电极层；
降粘处理装置，设置在第二涂布装置的下游，用于对质子交换膜A面上的第一保护膜进行降粘处理，以降低第一保护膜的粘着力；
第一收卷装置，设置在降粘处理装置的下游，用于剥离经过降粘处理的第一保护膜。
其中，第一保护膜在降粘处理之前的粘着力范围为：2～50N/25mm，经过所述降粘处理后的粘着力范围为：0～1N/25mm。
其中，降粘处理包括：热处理、光处理、真空处理、化学处理中的至少一种。
其中，第一放卷装置释放的质子交换膜的B面上设有原始保护膜；所述设备还包括第二收卷装置，所述第二收卷装置用于在第二涂布装置涂布第二电极层之前，剥离所述原始保护膜。
其中，还包括：
传感器，用于检测所述A面第一电极层尺寸；
控制器，用于根据所述第一电极层的尺寸控制所述第二涂布装置涂布第二电极层，使所述第二电极层与所述第一电极层对齐。
本申请提供的燃料电池膜电极的制作方法及设备，整个过程采用自动化设备完成，无需采用转移印刷的方式，提高了生产效率，同时涂布完A面上的第一电极层后，通过第一保护膜对其进行保护，避免在进行第二电极层涂布时，对第一电极层造成损伤，同时在进行第二电极层涂布时，首先检测第一电极层的尺寸，根据第一电极层的尺寸进行第二电极层涂布，使得第一电极层和第二电极层的尺寸对齐，减少了生产报废率。
附图说明
图1为质子交换膜原始材料的剖视图；
图2为本申请实施例膜电极的制作方法流程图；
图3为本申请实施例的膜电极的制作设备结构示意图；
图4为本申请实施例的涂布方式对应的涂层示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种燃料电池膜电极的制作方法，所述燃料电池以质子交换膜燃料电池为例进行说明，如图1，包括如下步骤：
s1：在质子交换膜的A面涂布第一电极层。如图1所示，在涂布第一电极层之前，所述质子交换膜为原始状态，带有一层原始保护膜102，质子交换膜101中未被原始保护膜102保护的面称为A面，被保护面称为B面；换而言之，膜电极制作之前的质子交换膜101的A面上未设有原始保护膜，B面设有原始保护膜102。所述第一电极层可以是催化剂阳极层，也可以是催化剂阴极层，本实施例以催化剂阳极层为例进行说明。
s2：对涂布好的第一电极层进行干燥处理，干燥处理可以让涂布的第一电极层中的溶剂，如水、醇类更快的挥发，以固化所述第一电极层，本实施例中干燥处理采用热处理的方式，干燥温度在80℃，干燥时间设置为三分钟。
s3：在质子交换膜A面上复合第一保护膜。为了防止在后续步骤中对B面涂布第二电极层时，会引起A面上的第一电极层变形或/溶胀，在质子交换膜A面的第一电极层上复合上第一保护膜，对第一电极层起保护和支撑的作用。第一保护膜与质子交换膜的复合，可采用辊压等方式，本实施例中的第一保护膜为失粘膜，又名UV减粘膜、UV失胶胶带、UV减粘胶带，常温下粘着力范围为2～50N/25mms4：剥离所述原始保护膜102，以便于对B面进行涂布。
s5：在质子交换膜的B面涂布第二电极层；所述第二电极层可以是催化剂阴极层，也可以是催化剂阳极层，本实施例以催化剂阴极层为例进行说明。所述步骤s5具体包括：通过传感器检测A面第一电极层的尺寸；根据第一电极层的尺寸对质子交换膜B面涂布第二电极层，使第二电极层与所述第一电极层对齐，可以减少膜电极的报废率，其中A面涂层的涂布方式包括连续涂布、间歇涂布、条纹涂布和斑马涂布中的一种，或者根据客户需要的设计异形图案涂布，如图4，分别为连续涂布A、间歇涂布B、条纹涂布C和斑马涂布D四种涂布方式对应的涂层示意图，其中黑色区域表示涂层，白色区域表示质子交换膜。
s6：对涂布好的第二电极层进行干燥处理，以固化所述第二电极层。
s7：对第一保护膜进行降粘处理以降低第一保护膜的粘着力，为了使得第一保护膜易于与第一电极层分离，保证剥离第一保护膜时，不会对第一电极层造成损伤，其中降粘处理可以采用热处理、光处理、真空处理、化学处理中的至少一种，本实施例采用UV光照射处理，第一保护膜在降粘处理之前的粘着力范围为：2～50N/25mm，经过所述降粘处理后的粘着力范围为：0～1N/25mm，保证第一保护膜与第一电极层的无损分离。
s8：将第一保护膜剥离得到膜电极。
其中，在对第一电极层和第二电极层进行干燥处理时，领域内可以采用热风干燥、红外干燥、UV干燥等，本实施例中采用热风干燥来达到干燥第一电极层和第二电极层的目的，本实施例两次干燥时，均在常温下，干燥温度为80℃，干燥时间为三分钟，以达到固化第一电极层和第二电极层的目的。
其中，本实施例中对质子交换膜的A面和B面涂布电极层时，涂布手段采用狭缝涂布，在其他实施例中，还可以采用喷墨、刮涂、转移、微凹、丝网、超声波等涂布手段。
本实施例提供的燃料电池膜电极的制作方法，是一种卷料加工方式，在涂布完A面上的第一电极层后，复合第一保护膜以对第一电极层进行保护并给质子交换膜提供支撑，避免在进行第二电极层涂布时对第一电极层造成损伤；燃料电池膜极片双面涂布均在质子交换膜上直接涂布，无需转移印刷，极大提高了生产效率，不浪费涂布的正负极浆料；而且，在剥离第一保护膜前进行降粘处理，将第一保护膜的粘着力降低到几乎为0，基本不会对第一电极层造成不良影响。同时在进行第二电极层涂布时，首先检测第一电极层的尺寸，根据第一电极层的尺寸进行第二电极层涂布，使得第一电极层和第二电极层的尺寸对齐，减少了生产报废率，降低了燃料电池的成本。
实施例2
本实施例提供一种燃料电池膜电极的制作设备，如图3，包括：
第一放卷装置1，用于以放卷出料的方式释放质子交换膜；通过恒张力控制质子交换膜以预设速度进入第一涂布装置2。如图1所示，在涂布第一电极层之前，所述质子交换膜为原始状态，带有一层原始保护膜102，质子交换膜101中未被原始保护膜102保护的面称为A面，被保护面称为B面。
第一涂布装置2，设置在第一放卷装置1的下游，用于对第一放卷装置1释放的质子交换膜的A面涂布第一电极层；所述第一电极层可以是催化剂阳极层，也可以是催化剂阴极层，本实施例以催化剂阳极层为例进行说明。
第一干燥装置91，设置在第一涂布装置2的下游，用于对A面上涂布的第一电极层进行干燥处理，以固化所述第一电极层。
放卷复合装置3，设置在第一干燥装置91的下游，用于将第一保护膜复合在质子交换膜的A面上。为了防止在后续工序中对B面涂布第二电极层时，会引起A面上的第一电极层变形或/溶胀，在质子交换膜A面的第一电极层上复合上第一保护膜，对第一电极层起保护和支撑的作用。第一保护膜与质子交换膜的复合，可采用辊压等方式，本实施例中的第一保护膜为失粘膜，又名UV减粘膜、UV失胶胶带、UV减粘胶带。
由于第一放卷装置1释放的质子交换膜的B面上设有原始保护膜102，所以在对B面进行涂布之前，需要预先剥离掉B面上的原始保护膜102。故所述设备还包括第二收卷装置7，用于在第二涂布装置4涂布第二电极层之前，剥离并收集原始保护膜102；收集可采用收卷的方式进行。
第二涂布装置4，设置在放卷复合装置的下游，用于对质子交换膜的B面涂布第二电极层。所述第二电极层可以是催化剂阴极层，也可以是催化剂阳极层，本实施例以催化剂阴极层为例进行说明。
第二干燥装置92，设置在第二涂布装置4的下游，用于对第二电极层进行干燥处理，以固化所述第二电极层。
降粘处理装置5，设置在第二干燥装置92的下游，用于对质子交换膜A面上的第一保护膜进行降粘处理，为了使得第一保护膜易于与第一电极层分离，保证剥离第一保护膜时，不会对第一电极层造成损伤，所以要对第一保护膜进行降粘处理以降低第一保护膜的粘着力，其中降粘处理可以采用热处理、光处理、真空处理、化学处理中的至少一种，本实施例采用UV光照射处理，第一保护膜在降粘处理之前的粘着力范围为：2～50N/25mm，经过所述降粘处理后的粘着力范围为：0～1N/25mm，保证第一保护膜与第一电极层的无损分离。
第一收卷装置10，设置在降粘处理装置5的下游，用于剥离经过降粘处理的第一保护膜，同时收集剥离掉的第一保护膜。收集可采用收卷的方式进行。
其中，本实施例中对质子交换膜的A面和B面涂布电极层，涂布手段均采用狭缝涂布。在其他实施例中，还可以采用喷墨、刮涂、转移、微凹、丝网、超声波等涂布手段。
在另一种实施例中，还包括第三收卷装置6，设置在降粘处理装置5的下游，用于对制作完成的膜电极进行收集。收集同样可采用收卷的方式进行。
其中，第一干燥装置91和第二干燥装置92采用的干燥方式可以采用热风干燥、红外干燥、UV干燥中的至少一种，本实施例采用本实施例中采用热风干燥来达到干燥第一电极层和第二电极层的目的，干燥温度在80℃，干燥时间设置为三分钟，干燥处理可以让涂布的第一电极层中的溶剂，如水、醇类更快的挥发。
其中，该设备还包括：
传感器8，用于检测A面第一电极层尺寸；其中，A面涂层(即第一电极层)的涂布方式包括连续涂布、间歇涂布、条纹涂布和斑马涂布中的一种；
控制器(图中未给出)，用于根据传感器8检测的第一电极层的尺寸控制第二涂布装置4涂布第二电极层，使第二电极层与所述第一电极层对齐，可以减少膜电极的报废率。
本实施例提供的燃料电池膜电极的制作设备，整个过程采用自动化设备完成，操作简单，极少需要人员参与；无需采用转移印刷的方式，提高了生产效率，不浪费涂布的正负极浆料；同时涂布完A面上的第一电极层后，通过第一保护膜对其进行保护并给质子交换膜提供支撑，实现了双面涂布均在质子交换膜上直接涂布，也避免了在进行第二电极层涂布时对第一电极层造成损伤，而且，在剥离第一保护膜前进行降粘处理，将第一保护膜的粘着力降低到几乎为0，基本不会对第一电极层造成不良影响。同时在进行第二电极层涂布时，首先检测第一电极层的尺寸，根据第一电极层的尺寸进行第二电极层涂布，使得第一电极层和第二电极层的尺寸对齐，涂层厚度精度、A/B面涂层单面尺寸精度、A/B面涂层对齐精度都有很大改善，减少了生产报废率，降低了燃料电池的成本。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种燃料电池膜电极的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
在质子交换膜的A面涂布第一电极层；
在质子交换膜A面上复合第一保护膜；
在质子交换膜的B面涂布第二电极层；
对第一保护膜进行降粘处理以降低第一保护膜的粘着力；
将第一保护膜剥离得到膜电极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一保护膜在降粘处理之前的粘着力范围为：2～50N/25mm，经过所述降粘处理后的粘着力范围为：0～1N/25mm。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降粘处理包括：热处理、光处理、真空处理、化学处理中的至少一种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质子交换膜的B面设有原始保护膜，所述在质子交换膜的B面涂布第二电极层的步骤之前，还包括步骤：剥离所述原始保护膜。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在质子交换膜的B面涂布第二电极层的步骤，包括：
通过传感器检测A面第一电极层的尺寸；
根据所述第一电极层的尺寸对质子交换膜B面涂布第二电极层，使所述第二电极层与所述第一电极层对齐。
6.一种燃料电池膜电极的制作设备，其特征在于，包括：
第一放卷装置，用于释放质子交换膜；
第一涂布装置，设置在第一放卷装置的下游，用于对第一放卷装置释放的所述质子交换膜的A面涂布第一电极层；
放卷复合装置，设置在第一涂布装置的下游，用于将第一保护膜复合在质子交换膜的A面上；
第二涂布装置，设置在放卷复合装置的下游，用于对质子交换膜的B面涂布第二电极层；
降粘处理装置，设置在第二涂布装置的下游，用于对质子交换膜A面上的第一保护膜进行降粘处理，以降低第一保护膜的粘着力；
第一收卷装置，设置在降粘处理装置的下游，用于剥离经过降粘处理的第一保护膜。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第一保护膜在降粘处理之前的粘着力范围为：2～50N/25mm，经过所述降粘处理后的粘着力范围为：0～1N/25mm。
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述降粘处理包括：热处理、光处理、真空处理、化学处理中的至少一种。
9.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第一放卷装置释放的质子交换膜的B面上设有原始保护膜；所述设备还包括第二收卷装置，所述第二收卷装置用于在第二涂布装置涂布第二电极层之前，剥离所述原始保护膜。
10.如权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括：
传感器，用于检测所述A面第一电极层尺寸；
控制器，用于根据所述第一电极层的尺寸控制所述第二涂布装置涂布第二电极层，使所述第二电极层与所述第一电极层对齐。
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