CN109713343B - 一种膜电极连续制备设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种膜电极连续制备设备及方法，包括：CCM料卷在驱动辊的驱动下释放CCM膜在传送带上传送，由CCM膜预冲裁机对CCM膜进行预冲裁以去掉冗余部分，然后传送至PET膜冲裁区域；在传送带的上方和下方分别设置有一个PET料卷和一个PET膜冲裁机，每个PET料卷在驱动辊的驱动下释放PET膜在传送带上传送，由对应位置处的PET膜冲裁机对PET膜进行冲裁；热压机对传送来的CCM膜和PET膜形成的三层膜结构进行整体热压合，然后由整体冲裁机对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构。本发明通过对CCM进行预冲裁，冲裁后的CCM膜和PET膜进行热压合后再整体冲裁，保证了输送过程的连续性和完整性，极大提高了效率。
Description
技术领域
本发明涉及膜电极技术领域，特别涉及一种膜电极连续制备设备及方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
膜电极组件，即MEA，Membrane Electrode Assembl ies，是燃料电池的质子交换膜(PEMs)，催化剂和电极的组合。该质子交换膜是夹在两电极之间，催化剂嵌入在他们之间。电极相对质子交换膜是绝缘的。
膜电极的CCM膜和PET膜尺寸不一样且催化剂涂层区域在整个膜的位置有严格要求，常规方法是把单片CCM膜单独裁断后再和PET膜热压合，这种方法效率低下，定位困难成本高。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种膜电极连续制备设备及方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种膜电极连续制备设备，包括：依次安装在传送带上的CCM膜预冲裁机、PET膜冲裁机、热压机、整体冲裁机和废料卷筒，其中，
CCM料卷在驱动辊的驱动下释放CCM膜在所述传送带上传送，由所述CCM膜预冲裁机对所述CCM膜进行预冲裁以去掉冗余部分，然后传送至PET膜冲裁区域；
在所述传送带的上方和下方分别设置有一个PET料卷和一个PET膜冲裁机，每个所述PET料卷在驱动辊的驱动下释放PET膜在所述传送带上传送，由对应位置处的PET 膜冲裁机对PET膜进行冲裁，其中，上、下两层PET膜之间为预冲裁后的CCM膜，从而形成三层膜结构；
所述热压机对传送来的CCM膜和PET膜形成的三层膜结构进行整体热压合，然后由所述整体冲裁机对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构。
进一步，还包括：废料卷筒，所述废料卷筒位于所述整体冲裁机的后方、传送带的末端，用于对整体冲裁后余料采用滚筒进行收卷。
进一步，所述驱动辊自身是伺服控制，控制驱动力并施加恒定的张力，在所述驱动辊的作用下，驱动所述废料卷筒带动整体冲裁后的复合膜同步前进和起到张紧作用。
进一步，在所述CCM料卷和所述CCM膜预冲裁机之间设置来料检测及定位相机，用于检测并定位所述CCM膜的位置；
在所述PET膜冲裁机和所述热压机之间的上方和下方，分别设置相位调整器、检测传感器和第一检测相机，所述相位调整器与所述PET膜和所述检测传感器连接；
在所述热压机和所述整体冲裁机之间设置有第二检测相机。
进一步，还包括：多个机械手，用于取出各个冲压环节产生的废料，并放置在料箱内。
进一步，所述机械手采用三轴或四轴机械手，所述机械手的末端安装有吸盘，其中，所述吸盘采用以下形式中的一种或多种：硅胶吸盘、海绵吸盘、负压吸盘和静电吸盘。
进一步，所述CCM膜预冲裁机、PET膜冲裁机和整体冲裁机采用平板裁切机或辊式裁切机。
本发明的实施例还提供一种膜电极连续制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，CCM膜预冲裁：在驱动辊的驱动下，CCM料卷释放CCM膜在所述传送带上传送，由CCM膜预冲裁机对所述CCM膜进行预冲裁以去掉冗余部分，然后传送至PET 膜冲裁区域；
步骤S2，PET膜冲裁：由位于传送带上方和下方的每个所述PET料卷在驱动辊的驱动下释放PET膜在所述传送带上传送，由对应位置处的PET膜冲裁机对PET膜进行冲裁，其中，上、下两层PET膜之间为预冲裁后的CCM膜，从而形成三层膜结构；
步骤S3，热压合：由所述热压机对步骤S2传送来的CCM膜和PET膜形成的三层膜结构进行整体热压合；
步骤S4，整体冲裁：由所述整体冲裁机对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构。
进一步，步骤S1，CCM膜预冲裁：在驱动辊的驱动下，CCM料卷释放CCM膜在所述传送带上传送，由CCM膜预冲裁机对所述CCM膜进行预冲裁以去掉冗余部分，然后传送至PET膜冲裁区域；
步骤S2，PET膜冲裁：由位于传送带上方和下方的每个所述PET料卷在驱动辊的驱动下释放PET膜在所述传送带上传送，由对应位置处的PET膜冲裁机对PET膜进行冲裁，其中，上、下两层PET膜之间为预冲裁后的CCM膜，从而形成三层膜结构；
步骤S3，热压合：由所述热压机对步骤S2传送来的CCM膜和PET膜形成的三层膜结构进行整体热压合；
步骤S4，整体冲裁：由所述整体冲裁机对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构；
其中，所述步骤S1和步骤S2的执行顺序包括以下三种：
(1)所述步骤S1和步骤S2同步执行；
(2)先执行所述步骤S1,后执行步骤S2；
(3)先执行所述步骤S2,后执行步骤S1。
根据本发明实施例的膜电极连续制备设备及方法，通过对CCM进行预冲裁，冲裁掉不需要的部分，需要的部分仍留在连续的卷料上。冲裁后的CCM膜和PET膜进行热压合后再整体冲裁，保证了输送过程的连续性和完整性，极大提高了效率。并且，利用安装在传送带末端的废料卷筒，对整体冲裁后余料采用滚筒进行收卷，冲裁后的余料扔可带动复合膜前进和起到张紧作用。本发明中的CCM膜预冲裁机、PET膜冲裁机、热压机和整体冲裁机等各工序设备采用模块化分离组装，方便运输及安装。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的膜电极连续制备设备的示意图；
图2为根据本发明实施例的核心工序等轴测示意图；
图3为根据本发明实施例的膜电极连续制备的立体图；
图4为根据本发明实施例的膜电极连续制备的顶视图；
图5为根据本发明实施例的MEA膜的示意图；
图6为根据本发明实施例的CCM膜冲裁区域的示意图；
图7为根据本发明实施例的CCM预冲裁后的效果图；
图8为根据本发明实施例的CCM预冲裁后的示意图；
图9为根据本发明实施例的PET膜和CCM膜重合后边框热压效果图；
图10为根据本发明实施例的整体冲裁的示意图；
图11为根据本发明实施例的废料收卷的示意图；
图12为根据本发明实施例的取料示意图；
图13为根据本发明实施例的最终的MEA膜的示意图；
图14为根据本发明实施例的膜电极连续制备方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供一种膜电极连续制备设备及方法，可以实现包括氢燃料电池在内的膜电极连续生产。
膜电极的结构为两层PET材质膜，中间为CCM喷层。其中，PET膜类似于手机屏幕贴膜，厚度约80μm，一面带胶，一定温度下会融化热合；CCM膜类似于复写纸材料，湿度变化极容易引起形变。需要将CCM膜两边用PET膜压边，80℃～85℃下热合成型，得到膜电极。本发明正是提供了一种可以实现连续生产的膜电极制备设备及方法。
下面参考图1至图14对本发明的膜电极连续制备设备及方法进行详细说明。
如图1-4所示，本发明实施例的膜电极连续制备设备，包括：依次安装在传送带上的CCM膜预冲裁机17、PET膜冲裁机(1,9)、热压机4、整体冲裁机5和废料卷筒 7。
具体的，CCM料卷15在驱动辊(12,13)的驱动下释放CCM膜14在传送带上传送，由CCM膜预冲裁机17对CCM膜进行预冲裁以去掉冗余部分，然后传送至PET膜冲裁区域。在CCM料卷15和CCM膜预冲裁机17之间设置来料检测及定位相机16和光纤传感器，用于检测并定位CCM膜的位置，实现来料品质检测及膜的准确定位，保证预冲裁的精度。
本发明采用定制尺寸的CCM膜预冲裁机17。图5为MEA膜的尺寸示意图。如图5 所示，这是最终的MEA膜示意图，包含碳纸、PET、CCM、PET、碳纸五层。其中，碳纸未示出。
由于冲裁掉CCM薄膜两端需要PET直接粘合的部分，CCM膜来料预制定位工艺标记(圆形或十字等)，起到视觉定位及检测作用。如图6所示，其中的斜线部分为CCM 膜冲裁区域，虚线框为最终的MEA膜尺寸。图7和图8为CCM膜预冲裁后的CCM膜示意图。参考图13,CCM膜两侧为预冲裁区域，中央位置处为催化剂图层区域。
在完成上述CCM膜预冲裁后，进入PET膜冲裁阶段。参考图1，设置两台PET膜冲裁机(1,9)和两组PET料卷，即在传送带的上方和下方分别设置有一个PET料卷(10,19) 和一个PET膜冲裁机(1,9)，每个PET料卷(10,19)在驱动辊(12,13)的驱动下释放PET膜(11，18)在传送带上传送，由对应位置处的PET膜冲裁机(1,9)对PET膜进行冲裁。本发明中的PET膜冲裁机(1,9)也是采用定制尺寸冲裁机，冲出PET膜中间的方形孔。
在上、下两层冲裁后的PET膜之间为预冲裁后的CCM膜，由此形成三层复合膜结构。参考图13，PET膜冲裁后的形状尺寸与CCM膜预冲裁后的形状尺寸匹配。
在完成上述PET膜冲裁后，进入热压合阶段。热压机4对传送来的CCM膜和PET 膜形成的三层复合膜结构进行整体热压合。
参考图1-4，在PET膜冲裁机(1,9)和热压机4之间的上方和下方，分别设置相位调整器(2,8)、检测传感器和第一检测相机，相位调整器(2,8)与PET膜和检测传感器连接。其中，检测传感器可以对光纤对管等器件进行检测。
在热压机4和整体冲裁机5之间设置有第二检测相机。通过相位调整器(2,8)可以实现对膜的小幅扭转和拉伸，结合相机调整PET膜和CCM膜的准确定位。
通过PET膜冲裁阶段将PET膜提前切割成规定形状，中心部分镂空，需要CCM喷层裸露。然后对预冲裁后的CCM膜的正反面各用一个PET膜贴合，利用热压机4在80℃～85℃条件下热压。热合后的部分即可被称为膜电极，作为半成品流入下一个工序，进行整体冲裁。
相应的，本发明中采用的热压机4也是定制尺寸热压机4，对PET+CCM膜进行局部边框的热压。图9为根据本发明实施例的PET膜和CCM膜重合后边框热压效果图。
然后，由整体冲裁机5对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构。图10为根据本发明实施例的整体冲裁的示意图。
采用上述定制尺寸热压机4，可同时裁切下五片热压后的膜，裁切后的膜具有一定硬度，采用三轴机械手可以很方便取出并码垛整齐。
参考图12所示，在上述冲裁、热压合的工艺过程中，本发明可以采用多个机械手，用于取出各个冲压环节产生的废料，并放置在料箱内。
在本发明的一个实施例中，机械手采用三轴或四轴机械手，机械手的末端安装有吸盘，其中，吸盘采用以下形式中的一种或多种：硅胶吸盘、海绵吸盘、负压吸盘和静电吸盘。需要说明的是，上述吸盘的形状定制为与裁后废料一致。
此外，在整体冲裁机5的后方、传送带的末端设置废料卷筒7，在主驱动辊6的驱动下，该废料卷筒7可以对整体冲裁后的余料采用滚筒进行收卷。并且，所述主驱动辊自身是伺服控制，控制驱动力并施加恒定的张力，在主驱动辊6的作用下，废料卷筒7 的直径一直在变化中，从而对起到同步前进和张紧作用。
废料卷筒7可以带动整体冲裁后的复合膜同步前进和起到张紧作用，如图11所示。
在本发明中，机械手采用三轴或四轴机械手，CCM膜预冲裁机17、PET膜冲裁机 (1,9)和整体冲裁机5采用平板裁切机或辊式裁切机，利用空间布置，可以使空间紧凑化，效率更高。
如图14所示，本发明实施例还提供一种膜电极连续制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，CCM膜预冲裁：在驱动辊的驱动下，CCM料卷释放CCM膜在传送带上传送，由CCM膜预冲裁机对CCM膜进行预冲裁以去掉冗余部分，然后传送至PET膜冲裁区域。
通过在CCM料卷和CCM膜预冲裁机之间设置来料检测及定位相机和光纤传感器，实现来料品质检测及膜的准确定位，保证预冲裁的精度。图5为MEA膜的尺寸示意图。由于冲裁掉CCM薄膜两端需要PET直接粘合的部分，CCM膜来料预制定位工艺标记(圆形或十字等)，起到视觉定位及检测作用。如图6所示，其中的斜线部分为CCM膜冲裁区域，虚线框为最终的MEA膜尺寸。图7和图8为CCM膜预冲裁后的CCM膜示意图。参考图13，CCM膜两侧为预冲裁区域，中央位置处为催化剂图层区域。
步骤S2，PET膜冲裁：由位于传送带上方和下方的每个PET料卷在驱动辊的驱动下释放PET膜在传送带上传送，由对应位置处的PET膜冲裁机对PET膜进行冲裁。
每个PET料卷在驱动辊的驱动下释放PET膜在传送带上传送，由对应位置处的PET膜冲裁机对PET膜进行冲裁。本发明中的PET膜冲裁机也是采用定制尺寸冲裁机，冲出PET膜中间的方形孔。在上、下两层冲裁后的PET膜之间为预冲裁后的CCM膜，由此形成三层复合膜结构。参考图13，PET膜冲裁后的形状尺寸与CCM膜预冲裁后的形状尺寸匹配。
其中，所述步骤S1和步骤S2的执行顺序包括以下三种：
(1)所述步骤S1和步骤S2同步执行；
(2)先执行所述步骤S1,后执行步骤S2；
(3)先执行所述步骤S2,后执行步骤S1。
步骤S3，热压合：由热压机对步骤S2传送来的CCM膜和PET膜形成的三层膜结构进行整体热压合。
在PET膜冲裁机和热压机之间的上方和下方，分别设置相位调整器、检测传感器和第一检测相机，相位调整器与PET膜和检测传感器连接。在热压机和整体冲裁机之间设置有第二检测相机。通过相位调整器可以实现对膜的小幅扭转和拉伸，结合相机调整PET膜和CCM膜的准确定位。通过PET膜冲裁阶段将PET膜提前切割成规定形状，中心部分镂空，需要CCM喷层裸露。然后对预冲裁后的CCM膜的正反面各用一个PET 膜贴合，利用热压机在80℃～85℃条件下热压。热合后的部分即可被称为膜电极，作为半成品流入下一个工序，进行整体冲裁。
步骤S4，整体冲裁：由整体冲裁机对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构。
在上述冲裁、热压合的工艺过程中，本发明可以采用多个机械手，用于取出各个冲压环节产生的废料，并放置在料箱内。机械手采用三轴或四轴机械手，机械手的末端安装有吸盘，其中，吸盘采用以下形式中的一种或多种：硅胶吸盘、海绵吸盘、负压吸盘和静电吸盘。需要说明的是，上述吸盘的形状定制为与裁后废料一致。
在步骤S4之后，还包括如下步骤：利用安装在传送带末端的废料卷筒，对整体冲裁后余料采用滚筒进行收卷，并带动整体冲裁后的复合膜同步前进和起到张紧作用。
根据本发明实施例的膜电极连续制备设备及方法，通过对CCM进行预冲裁，冲裁掉不需要的部分，需要的部分仍留在连续的卷料上。冲裁后的CCM膜和PET膜进行热压合后再整体冲裁，保证了输送过程的连续性和完整性，极大提高了效率。并且，利用安装在传送带末端的废料卷筒，对整体冲裁后余料采用滚筒进行收卷，冲裁后的余料扔可带动复合膜前进和起到张紧作用。本发明中的CCM膜预冲裁机、PET膜冲裁机、热压机和整体冲裁机等各工序设备采用模块化分离组装，方便运输及安装。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (5)
1.一种膜电极连续制备设备，其特征在于，包括：依次安装在传送带上的CCM膜预冲裁机、PET膜冲裁机、热压机、整体冲裁机和废料卷筒，其中，
CCM料卷在驱动辊的驱动下释放CCM膜在所述传送带上传送，由所述CCM膜预冲裁机对所述CCM膜进行预冲裁以去掉冗余部分，然后传送至PET膜冲裁区域；
在所述传送带的上方和下方分别设置有一个PET料卷和一个PET膜冲裁机，每个所述PET料卷在驱动辊的驱动下释放PET膜在所述传送带上传送，由对应位置处的PET膜冲裁机对PET膜进行冲裁，其中，上、下两层PET膜之间为预冲裁后的CCM膜，从而形成三层膜结构；
所述热压机对传送来的CCM膜和PET膜形成的三层膜结构进行整体热压合，然后由所述整体冲裁机对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构；其中，通过PET膜冲裁阶段将PET膜提前切割成规定形状，中心部分镂空，需要CCM喷层裸露；然后对预冲裁后的CCM膜的正反面各用一个PET膜贴合，利用热压机在80℃～85℃条件下热压；热合后的部分即可被称为膜电极，作为半成品流入下一个工序，进行整体冲裁，由整体冲裁机对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构；
废料卷筒，所述废料卷筒位于所述整体冲裁机的后方、传送带的末端，用于对整体冲裁后余料采用滚筒进行收卷；主驱动辊自身是伺服控制，控制驱动力并施加恒定的张力，在所述主驱动辊的作用下，驱动所述废料卷筒带动整体冲裁后的复合膜同步前进和起到张紧作用；
在所述CCM料卷和所述CCM膜预冲裁机之间设置来料检测及定位相机，用于检测并定位所述CCM膜的位置；
在所述PET膜冲裁机和所述热压机之间的上方和下方，分别设置相位调整器、检测传感器和第一检测相机，所述相位调整器与所述PET膜和所述检测传感器连接；
在所述热压机和所述整体冲裁机之间设置有第二检测相机。
2.如权利要求1所述的膜电极连续制备设备，其特征在于，还包括：多个机械手，用于取出各个冲压环节产生的废料，并放置在料箱内。
3.如权利要求2所述的膜电极连续制备设备，其特征在于，所述机械手采用三轴或四轴机械手，所述机械手的末端安装有吸盘，其中，所述吸盘采用以下形式中的一种或多种：硅胶吸盘、海绵吸盘、负压吸盘和静电吸盘。
4.如权利要求1所述的膜电极连续制备设备，其特征在于，所述CCM膜预冲裁机、PET膜冲裁机和整体冲裁机采用平板裁切机或辊式裁切机。
5.一种膜电极连续制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，CCM膜预冲裁：在驱动辊的驱动下，CCM料卷释放CCM膜在传送带上传送，由CCM膜预冲裁机对所述CCM膜进行预冲裁以去掉冗余部分，然后传送至PET膜冲裁区域；
步骤S2，PET膜冲裁：由位于传送带上方和下方的每个PET料卷在驱动辊的驱动下释放PET膜在所述传送带上传送，由对应位置处的PET膜冲裁机对PET膜进行冲裁，其中，上、下两层PET膜之间为预冲裁后的CCM膜，从而形成三层膜结构；
步骤S3，热压合：由热压机对步骤S2传送来的CCM膜和PET膜形成的三层膜结构进行整体热压合；
步骤S4，整体冲裁：由整体冲裁机对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构；
其中，所述步骤S1和步骤S2的执行顺序包括以下三种：
(1)所述步骤S1和步骤S2同步执行；
(2)先执行所述步骤S1,后执行步骤S2；
(3)先执行所述步骤S2,后执行步骤S1；
在所述步骤S4之后，还包括如下步骤：利用安装在传送带末端的废料卷筒，对整体冲裁后余料采用滚筒进行收卷，并带动整体冲裁后的复合膜同步前进和起到张紧作用；
其中，其中，通过PET膜冲裁阶段将PET膜提前切割成规定形状，中心部分镂空，需要CCM喷层裸露；然后对预冲裁后的CCM膜的正反面各用一个PET膜贴合，利用热压机在80℃～85℃条件下热压；热合后的部分即可被称为膜电极，作为半成品流入下一个工序，进行整体冲裁，由整体冲裁机对热压合后的膜结构进行整体冲裁，形成最终的MEA膜电极结构。
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