CN110137512A - 一种燃料电池膜电极的制作方法及设备 - Google Patents

Abstract

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，其中制作方法包括：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，将第一保护膜剥离得到膜电极。依据本申请的膜电极制作方法，在质子交换膜的A面上涂布第一电极后，通过在A面上复合第一保护膜对涂层进行保护，避免在涂布第二电极层时对第一电极层造成损伤，当涂布完第二电极层时无需对第一保护膜进行降粘处理，可以直接剥离第二电极层，提高了生产效率。

Description

一种燃料电池膜电极的制作方法及设备

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；

将第一保护膜剥离得到膜电极。

其中，所述第一保护膜包括：

基层；

附着在所述基层上的粘胶剂层；

其中，所述粘胶剂层中分散有多个微球。

其中，所述微球的直径为0.05～5um。

其中，所述微球为纳米二氧化硅颗粒或者聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中的一种或者多种。

进一步的，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。

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；

第一收卷装置，设置在第二涂布装置的下游，用于剥离第一保护膜。

其中，所述第一保护膜包括：

基层；

附着在所述基层上的粘胶剂层；

其中，所述粘胶剂层中分散有多个微球。

其中，所述微球的直径为0.05～5um。

进一步的，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。

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。

依据上述实施例的制作方法和设备，在质子交换膜的A面上涂布第一电极后，通过在A面上复合第一保护膜对涂层进行保护，避免在涂布第二电极层时对第一电极层造成损伤，当涂布完第二电极层时无需对第一保护膜进行降粘处理，可以直接剥离第二电极层，提高了生产效率。

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；

图5为本申请实施例的保护膜结构示意图。

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。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。

在本发明实施例中，在质子交换膜的A面上涂布第一电极后，通过在A面上复合第一保护膜对涂层进行保护，避免在涂布第二电极层时对第一电极层造成损伤，当涂布完第二电极层时无需对第一保护膜进行降粘处理，可以直接剥离第二电极层，提高了生产效率。

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。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，

s4：剥离原始保护膜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；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：对第二电极层进行干燥处理，以固化该第二电极层。

s7：将第一保护膜剥离得到膜电极，本实施例中的第一保护膜包括基层1以及附着在该基层1上的粘胶剂层2，粘胶剂层2中分散有多个微球21，在质子交换膜A面上复合第一保护膜时，第一保护膜与第一电极层通过多个微球21接触，即使得第一保护膜与第一电极层为点接触，大大降低了第一保护膜的粘性，即使经过高温干燥使得第一保护膜受热后，第一保护膜和第一电极层之间仍然粘性很低，在固化好第二电极层后无需对第一保护膜进行降粘处理即可直接剥离，且剥离时第一保护膜不会带走第一电极层上的催化剂，这样就节约了工序，降低了生产成本。

其中，本实施例的第一保护膜的粘胶剂层2中的微球21采用二氧化硅颗粒，其直径为3μm，在其他实施例中该微球21还可以采用聚甲基丙烯酸甲酯颗粒，微球21的直径在0.05～5um范围内均可。

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时无需对其进行降粘处理，且剥离时不会带走第一电极层上的催化剂，因此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

如图3，本实施例提供一种燃料电池膜电极的制作设备，该制作设备包括：

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。

第一收卷装置10，设置在第二干燥装置92的下游，用于剥离第一保护膜，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，设置在第二干燥装置92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，在剥离第一保护膜前无需对其进行降粘处理，剥离时不会带走第一电极层上的催化剂，因此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。

实施例3

请参考图5，本实施例提供一种用于燃料电池膜电极的保护膜，该保护膜包括基层1、附着该在基层1上的粘胶剂层2，其中在粘胶剂层2中分散有多个微球21，这样多个微球21形成凹凸不平的接触点，基层1附着在粘胶剂层2上且与多个微球21通过点接触。在制备膜电极时使得保护膜与质子交换膜为点接触，有效避免了在烘烤后保护膜难以剥离或者剥离时带走涂布在质子交换膜上的第一电极层的催化剂的技术问题。其中粘胶剂层2具有极强的自排气功能，可以和第一电极层很好的贴附，对第一电极层起到保护和支撑的作用。因此采用本申请提供的保护膜制备膜电极时，在剥离保护模时无须预先进行降粘处理，节约了生产工序和成本。

其中，本实施例混合在粘胶剂层2的微球21为直径为3微米二氧化硅颗粒，基层1为厚度为0.1毫米的PET基材，在其他实施例中还包括复合在粘胶剂层2上的保护层3，用于对粘胶剂层2进行保护，例如保护层3采用厚度70μm的PET离型膜。在其他实施例中微球21还可以选用聚甲基丙烯酸甲酯材质的塑料微球，微球21的直径设置为0.05～5μm之间即可，需要说的是，在一种保护膜中也可以包括多种不同直径的微球21，只要该微球的半径在0.05～5μm之间即可。基层1的厚度还可以选择0.01～0.2mm之间的任意值，制成的保护膜的基层1和粘结剂层2的总厚度为0.02～0.5mm最为合适。

在其他实施例中，该保护膜只包括基层1和复合在该基层1上粘结剂层2，微球21分散在该粘结剂层2中，该保护膜绕制成卷状进行封装，这样无需离型膜3进行保护。

本实施例的保护膜用于制备膜电极时，粘结剂层2与质子交换膜通过微球21实现点接触，使得接触面积大幅度减少，因此使得粘性降低，在膜电极制备过程中即使经过高温，该粘结剂层2与质子交换膜也无须经过降粘处理即可剥离，且不会带走涂布在质子交换膜上的催化剂的技术问题。因此采用实施例提供的保护膜制备膜电极时，节约了生产工序和成本。

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；

将第一保护膜剥离得到膜电极。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一保护膜包括：

基层；

附着在所述基层上的粘胶剂层；

其中，所述粘胶剂层中分散有多个微球。

3.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述微球的直径为0.05～5um。

4.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述微球为纳米二氧化硅颗粒或者聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中的一种或者多种。

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；

第一收卷装置，设置在第二涂布装置的下游，用于剥离第一保护膜。

7.如权利要求6所述的制作设备，其特征在于，所述第一保护膜包括：

基层；

附着在所述基层上的粘胶剂层；

其中，所述粘胶剂层中分散有多个微球。

8.如权利要求7所述的制作设备，其特征在于，所述微球的直径为0.05～5um。

9.如权利要求6所述的制作设备，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所述的制作设备，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。