CN110854393A - 一种膜电极的制备工艺和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种膜电极的制备工艺和装置，属于燃料电池技术领域，所述的膜电极的制备工艺，包括单侧催化剂层的制备步骤：将聚合物膜先没入催化剂溶液中，再提拉出催化剂溶液，在聚合物膜的一侧形成第一催化剂薄膜，对所述第一催化剂薄膜进行加热滚压，得到单侧涂布催化剂层的聚合物膜；双侧催化剂层的制备步骤：将聚合物膜没入催化剂溶液中，再提拉出催化剂溶液，在聚合物膜的另一侧形成第二催化剂薄膜；对所述第二催化剂薄膜进行加热滚压，得到膜电极。制备得到的膜电极具有与催化剂结合强度高，均匀性好的优点，而且操作简单，不需要复杂的翻转过程，实现了膜电极两侧的催化剂的一次性快速涂布和加热滚压，提高生产效率。

Description

一种膜电极的制备工艺和装置
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种膜电极的制备工艺和装置。
背景技术
电解制氢技术、燃料电池发电技术及二氧化碳还原技术在未来交通、能源转化及固定式发电领域中具有巨大的发展潜力。以上技术的核心材料均是膜电极(MembraneElectrode Assembly，MEA)，MEA是燃料电池寿命、成本以及可靠性的决定性因素。
膜电极是由固体聚合物电解质(聚合物膜)两侧不同催化剂组成，同时具有催化反应与离子传输的功能。膜电极催化剂可以采用Pt/C催化剂、Ir/Ru催化剂、Cu基催化剂，等等。膜电极的发展已经经历了三个阶段：一是通过热压法制备，采用丝网印刷、喷涂、涂覆和流延等方法将催化剂制备到气体扩散层(GDL)表面，浸渍聚合物电解质溶液，干燥后将其放到聚合物电解质膜的两侧，热压，形成MEA。该方法在工艺上制备简单，但是催化层与聚合物电解质膜的结合性能较差。二是使用喷涂法或转印法直接将催化剂浆料喷涂到聚合物电解质膜上，此法相较于第一种方法可以有效的提高聚合物电解质膜与催化层之间的结合能力。
例如，中国专利文献CN100384001A公开了一种直接喷涂制备燃料电池膜电极的方法，通过将膜固定于固定装置上，直接喷涂膜的两面，经过低温真空干燥制得，然而由于聚合物膜在干燥脱水时会因膜的溶胀性而导致其发生变形，增大聚合物膜局部应力，从而造成电池性能的下降。
中国专利文献CN109830718A公开了一种燃料电池膜电极的生产方法，包括如下步骤：S1、将催化剂和全氟磺酸溶液倒入混合溶剂中，混合均匀后，分散，制备催化剂浆料备用；S2、通过保水物质沉积的碳载体制得复合载体，再将复合载体上担载贵金属制得电催化剂备用；S3、将步骤S1中制得的催化剂浆料使用喷涂枪喷涂在聚合物膜的A面；S5、将聚合物膜平铺在平台上，使得聚合物膜的B面朝上，将步骤S2中制得的电催化剂采用油压机热压至聚合物膜的B面；S7、聚合物膜的A面放置碳纸气体扩散层，然后热压，再在聚合物膜的B面放置聚四氟乙烯薄片，热压后获得燃料电池膜电极。
上述工艺虽然通过增设热压过程改善了膜溶胀变形的问题，然而采用该种向膜两面分别喷涂催化剂的方式不仅造成催化剂涂布的均匀性较差，而且生产设备繁多，产率较低，需要另外配置热压机，而且单次仅能在聚合物膜的单面喷涂催化剂，喷涂第二面时需要翻转工程，工程复杂，而且在翻转过程中易引入不确定性因素，造成均匀性进一步降低，从而影响膜电极的性能，不适合批量制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有的工艺制备的膜电极均匀性差，催化剂与膜结合强度低，设备繁多和产率低下的问题。
为此，本发明实现上述目的的技术方案为：
一种膜电极的制备工艺，包括，
单侧催化剂层的制备步骤：
将聚合物膜没入催化剂溶液中，再提拉出催化剂溶液，在聚合物膜的一侧形成第一催化剂薄膜，对所述第一催化剂薄膜进行加热滚压，得到单侧涂布催化剂层的聚合物膜；
双侧催化剂层的制备步骤：
将聚合物膜没入催化剂溶液中，再提拉出催化剂溶液，在聚合物膜的另一侧形成第二催化剂薄膜；对所述第二催化剂薄膜进行加热滚压，得到膜电极。
进一步地，还包括：交替重复多次进行所述单侧催化剂层的制备步骤和双侧催化剂层的制备步骤；或者，
先重复多次进行所述单侧催化剂层的制备步骤，后重复多次进行所述双侧催化剂层的制备步骤。
进一步地，在所述单侧催化剂层的制备步骤和/或所述双侧催化剂层的制备步骤中，
所述提拉过程中，提拉速度为0.1mm/s-10cm/s；和/或，
所述催化剂溶液的浓度为0.1mol/l-20mol/l。
进一步地，在所述单侧催化剂层的制备步骤和/或所述双侧催化剂层的制备步骤中，所述加热滚压过程的压力为0.1KPa-1MPa，温度为80℃-400℃。
进一步地，还包括对所述催化剂溶液进行搅拌的步骤。
进一步地，所述聚合物膜为质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜中的至少一种。
进一步地，所述质子交换膜为全氟磺酸膜膜、部分氟化磺酸膜、非氟磺酸膜、磺化聚醚醚酮膜、磺化聚苯乙烯膜、磺化聚苯并咪哩膜、磺化聚酞亚胺膜、磺化聚醚矾膜中的至少一种；所述阴离子交换膜为季铵化聚矾膜、季铵化聚苯醚膜、季铵化聚苯乙烯膜中的至少一种；所述双极膜为聚乙烯亚胺与聚丙烯酸钠膜、苯乙烯季铵与聚丙烯酸钠膜、聚乙烯亚胺与苯乙烯磺酸膜中的至少一种。
本发明提供了一种膜电极的制造装置，包括容器、输送辊和热压辊，所述输送辊和热压辊均具有至少两个；
容器，用于容置催化剂溶液；
输送辊，至少部分位于容器内且与催化剂溶液接触，将聚合物膜交替卷绕于输送辊和热压辊上，所述输送辊带动卷绕于其外表面的聚合物膜没入催化剂溶液中；
热压辊，位于催化剂溶液的上方，带动卷绕于其外表面的聚合物膜提拉出催化剂溶液并加热滚压聚合物膜。
进一步地，所述输送辊包括第一输送辊和第二输送辊，所述热压辊包括第一热压辊和第二热压辊，所述第一热压辊和第二输送辊之间还设置有转向辊。
进一步地，所述热压辊的提拉方向与催化剂溶液的液面的夹角为90°或60°。
进一步地，所述第一输送辊和/或第一热压辊设置有1-20个；所述第二输送辊和/或第二热压辊设置有1-20个。
本发明的上述技术方案具有如下优点：
1、本发明实施例提供的膜电极的制备工艺，包括单侧催化剂层的制备步骤和双侧催化剂层的制备步骤，通过将聚合物膜没入催化剂溶液中，再提拉出催化剂溶液，在聚合物膜的一侧形成第一催化剂薄膜；对第一催化剂薄膜进行加热滚压，形成单侧涂布催化剂层的聚合物膜，将聚合物膜没入催化剂溶液中，再提拉出催化剂溶液，在聚合物膜的另一侧形成第二催化剂薄膜；对第二催化剂薄膜进行加热滚压，得到膜电极，采用提拉结合加热滚压的方式不但能够显著提高膜电极与催化剂的结合强度和涂布的均匀性，提高膜电极的性能，而且实现膜电极的连续化制备，一套设备即可实现双面涂布；而且操作简单，不需要复杂的翻转过程，实现了膜电极两侧的催化剂的一次性快速涂布和加热滚压，降低生产成本，提高生产效率。
2、本发明提供的膜电极的制备工艺，可以通过控制催化剂溶液的浓度和提拉速度，得到不同担载量的催化剂层，本发明所述提拉过程中，提拉速度优选为0.1mm/s-10cm/s；所述催化剂溶液的浓度优选为0.1mol/l-20mol/l，既可以得到更加广泛担载量范围的催化剂层(0.1～10mg/cm2)以提高膜电极的适用性，也能够避免提拉速度太快或催化剂溶液的浓度太大时，导致膜电极出现不均匀的情况，又能改善提拉速度太慢或催化剂溶液的浓度太小时，导致生产效率过慢的情况。
3、本发明提供的膜电极的制备工艺，通过调整加热滚压过程的压力，可以增强催化剂与聚合物膜之间的结合强度，所述加热滚压过程的压力为0.1KPa-1MPa，温度为80℃-400℃，不仅能够保证催化剂与聚合物膜之间的结合强度，而且也能够改善聚合物膜变形的情况发生。
4、本发明提供的膜电极的制备工艺，还包括：交替重复多次进行所述单侧催化剂层的制备步骤和双侧催化剂层的制备步骤；或者，先重复多次进行所述单侧催化剂层的制备步骤，后重复多次进行所述双侧催化剂层的制备步骤，重复多次进行上述步骤不仅能够得到具有预定担载量的催化剂层，而且进一步提高了涂布的均匀性。
5、本发明提供的膜电极的制造装置，包括容器、输送辊和热压辊，所述输送辊和热压辊均具有至少两组，聚合物膜交替卷绕于输送辊和热压辊上；容器，用于容置催化剂溶液；输送辊，至少部分位于容器内且与催化剂溶液接触，带动卷绕于其外表面的聚合物膜没入催化剂溶液中；热压辊，位于催化剂溶液的上方，带动卷绕于其外表面的聚合物膜提拉出催化剂溶液并加热聚合物膜，整个设备简单，一套设备即可代替喷涂装置和热压装置，无需额外的加压装置，最终制备得到的膜电极具有与催化剂结合强度高，均匀性好、性能优良的优点。
6、本发明提供的膜电极的制造装置，可以采用内含轮组数量相差较大的第一面涂布装置和第二面涂布装置，制备两侧催化剂担载量差别极大的膜电极，也可以采用相同数量的轮组，制备两侧催化剂担载量相同或者相似的膜电极。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1是本发明实施例1中所述的膜电极的制造装置的一种结构示意图；
图2是本发明实施例2中所述的膜电极的制造装置的另一种结构示意图。
其中，图1的实施方式是利用滚轮提拉热压一面之后，再通过翻转滚轮的方式涂布另一面。优点在于可以通过调整轮组数量控制两侧催化剂的不同担载量。缺点在于工艺过程中两面各有闲置过程，对热压后晾干不利，滚轮速度不能过高。
图2的方式是轮组交替对两面分别依次进行提拉热压，优点在于热压后晾干过程更为均匀，滚轮速度可以更快，易于形成担载量较大、性能较好的膜电极。缺点在于催化剂的担载量只能通过催化剂溶液的浓度控制。图1和图2的两种装置和对应的制造工艺可以依据制备产物的要求进行选择。
附图标记：
1、聚合物膜；2、第一面涂布装置；21、第一容器；22、第一输送辊；23、第一热压辊；3、第二面涂布装置；31、第二容器；32、第二输送辊；33、第二热压辊；34、转向辊。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的目的和技术方案，下面将对具体实施方式进行清楚、完整地述。
实施例1
本实施例提供一种膜电极的制造装置，如图1所示，包括容器、输送辊和热压辊，所述输送辊和热压辊均具有至少两组，聚合物膜1交替卷绕于输送辊和热压辊上；
容器，用于容置催化剂溶液；
输送辊，至少部分位于容器内且与催化剂溶液接触，带动卷绕于其外表面的聚合物膜1没入催化剂溶液中；
热压辊，位于催化剂溶液的上方，带动卷绕于其外表面的聚合物膜1提拉出催化剂溶液并加热聚合物膜1。
具体地，本实施例中输送辊的下部没入催化剂溶液中，上部暴露在空气中，热压辊位于催化剂溶液的上方，使用时，将聚合物膜1交替卷绕于输送辊的下表面和卷绕于热压辊的上表面，使得输送辊转动时能够带动聚合物膜1没入容器中的催化剂溶液，在聚合物膜1的表面形成催化剂溶液层，然后通过催化剂溶液上方的热压辊将聚合物膜1从催化剂溶液中提拉出来，提拉出催化剂溶液时，在聚合物膜1的一侧形成含有一定溶剂的第一催化剂薄膜，然后在热压辊加热滚压的作用下，使第一催化剂薄膜上的溶剂蒸干，催化剂牢固结合在聚合物膜1的一侧，形成单侧催化剂层；然后进入下一组输送辊和热压辊，输送辊转动时能够带动聚合物膜1没入容器中的催化剂溶液，在聚合物膜1的表面形成催化剂溶液层，然后通过催化剂溶液上方的热压辊将聚合物膜1从催化剂溶液中提拉出来，提拉出催化剂溶液时，在聚合物膜1的另一侧形成含有一定溶剂的第二催化剂薄膜，然后在热压辊加热滚压的作用下，使第二催化剂薄膜上的溶剂蒸干，形成双侧催化剂层。采用提拉结合加热滚压的方式不但能够显著提高膜电极与催化剂的结合强度和涂布的均匀性，提高膜电极的性能，而且实现膜电极的连续化制备，一套设备即可实现双面涂布；而且操作简单，不需要复杂的翻转过程，实现了膜电极两侧的催化剂的一次性快速涂布和加热滚压，降低生产成本，提高生产效率。
本实施例中，如图1所示，所述膜电极的制造装置可以分为第一面涂布装置2和第二面涂布装置3，分别用于对聚合物膜1的第一面和第二面进行涂布，第一面涂布装置2包括第一容器21、第一输送辊22和第一热压辊23；第二面涂布装置3包括第二容器31、第二输送辊32和第二热压辊33。第一容器21和第二容器31内分别容置有涂布聚合物膜1第一面和第二面所需的催化剂溶液，与第一面涂布装置2和第二面涂布装置3的其他结构联合使用，用以实现双面涂布。
作为本发明的一个实施例，如图1所示，本实施例中，第一面涂布装置2中的第一输送辊22和第一热压辊23均设置有5个，可以重复5次单侧催化剂层制备步骤。作为本发明的可变换实施，所述第一输送辊22和第一热压辊23还可以分别设置有1-20个，第一输送辊22和第一热压辊23个数相同，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
此外，作为本发明的一个实施例，多个第一输送辊22和多个第一热压辊23沿聚合物膜1预定的方向交替间隔布置，具体地，本实实施例中，多个第一输送辊22和多个第一热压辊23沿水平向左的方向交替间隔布置。
作为本发明的一个实施例，本实施例中，第二输送辊32和第二热压辊33分别设置有5个，可以重复5次双侧催化剂层制备步骤。作为本发明的可变换实施，所述第二输送辊32和第二热压辊33还可以分别设置有1-20个，第二输送辊32和第二热压辊33的个数相同，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
此外，多个第二输送辊32和多个第二热压辊33沿聚合物膜1预定的方向交替间隔布置，本实实施例中，多个第二输送辊32和多个第二热压辊33沿水平向右的方向交替间隔布置。
作为本发明的一个实施例，第一面涂布装置2与第二面涂布装置3沿竖直方向间隔平行设置，第一面涂布装置2带动聚合物膜1沿S型路线向左移动，第二面涂布装置3带动聚合物膜1沿S型路线向右移动，两种装置带动聚合物膜1反向移动，使得聚合物膜1在第一面涂布装置2最后一个第一热压辊23与第二面涂布装置3的第一个第二输送辊32之间卷绕时发生翻面。
本实施例中，第一面涂布装置2与第二面涂布装置3之间还设置有转向辊34，本实施例的制造装置在具体地使用过程中，包括如下步骤：(1)预先卷绕步骤：预先卷绕时，将聚合物膜1依次先交替卷绕于第一输送辊22的下表面和第一热压辊23的上表面，再卷绕于转向辊34的左侧表面，再交替卷绕于第二输送辊32的下表面和第二热压辊33的上表面。(2)单侧催化剂层的制备步骤：第一输送辊22转动时能够带动聚合物膜1没入第一容器21中的催化剂溶液，在聚合物膜1的表面形成催化剂溶液层，然后通过催化剂溶液上方的第一热压辊23将聚合物膜1从催化剂溶液中提拉出来，提拉出催化剂溶液时，在聚合物膜1的一侧形成含有一定溶剂的催化剂薄膜，然后在第一热压辊23加热滚压的作用下，使催化剂薄膜上的溶剂蒸干，催化剂牢固结合在聚合物膜1的一侧，形成单侧催化剂层；重复上述单侧催化剂层制备步骤5次，(3)双侧催化剂层的制备步骤：转向辊34转动的同时带动将聚合物膜1输送至第二输送辊32并暴露出聚合物膜1的第二面，第二输送辊32转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1的第二面没入催化剂溶液中，第二热压辊33转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1提拉出催化剂溶液，在聚合物膜1的第二面形成含有溶剂的第二催化剂薄膜，然后在热压辊加热滚压的作用下，使催化剂薄膜上的溶剂蒸干，催化剂牢固结合在聚合物膜1的一侧，得到双侧催化剂层，重复上述双侧催化剂层制备步骤5次，得到膜电极。
作为本发明的一个实施例，本实施例中，位于第一输送辊22和第一热压辊23的夹角之间的聚合物膜1与催化剂溶液的液面的夹角为90°。或者说，所述第一热压辊23的提拉方向与催化剂溶液的液面的夹角为90°。作为本发明的可变换实施，所述第一热压辊23的提拉方向与催化剂溶液的液面的夹角还可以为30-150°。
作为本发明的一个实施例，本实施例中，位于第二输送辊32和第二热压辊33之间的聚合物膜1与催化剂溶液的液面的夹角为90°。或者说，所述第二热压辊33的提拉方向与催化剂溶液的液面的夹角为90°。作为本发明的可变换实施，所述第二热压辊33的提拉方向与催化剂溶液的液面的夹角还可以为30-150°。
本实施例的膜电极的制造装置，使用时，可以通过调整两个容器内催化剂溶液的浓度，调整第一面涂布装置2和第二面涂布装置3内含输送辊和热压辊的数量，即可控制聚合物膜1两侧的提拉次数和热压次数，从而实现了调整两侧催化剂层的担载量的目的，通过调整提拉速度来也可以调整两侧催化剂层的担载量。通过调整加热滚压过程中加热的压力，可以增强催化剂与聚合物膜1之间的结合强度。
本实施例的膜电极的制造装置，整个设备简单，一套设备即可代替现有技术中的喷涂装置和热压装置，无需额外的加压装置，可以采用内含轮组数量相差较大的第一面涂布装置2和第二面涂布装置3，制备两侧催化剂担载量差别极大的膜电极，也可以采用相同数量的轮组，制备两侧催化剂担载量相同或者相似的膜电极。
实施例2
本实施例提供了一种膜电极的制造装置，如图2所示，与实施例1的区别在于，第一输送辊22、第一热压辊23、第二输送辊32和第二热压辊33的排布位置不同，且不需要额外设置转向辊34。
本实施例中，第一热压辊23和第二热压辊33均位于第一输送辊22与第二输送辊32之间连线的中线上，聚合物膜1依次卷绕于第一输送辊22、第一热压辊23、第二输送辊32和第二热压辊33上。
作为本发明的一个实施例，如图2所示，本实施例中，第一面涂布装置2中的第一输送辊22和第一热压辊23均设置有3个，可以重复3次单侧催化剂层制备步骤。作为本发明的可变换实施，所述第一输送辊22和第一热压辊23还可以分别设置有1-20个，第一输送辊22和第一热压辊23个数相同，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
作为本发明的一个实施例，本实施例中，第二输送辊32和第二热压辊33分别设置有3个，可以重复3次双侧催化剂层制备步骤。作为本发明的可变换实施，所述第二输送辊32和第二热压辊33还可以分别设置有1-20个，第二输送辊32和第二热压辊33的个数相同，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围，且第一热压辊23和第二热压辊33沿竖直方向交替间隔排布。
作为本发明的一个实施例，相邻的两组第一面涂布装置2和第二面涂布装置3中，前一个第一输送辊22、前一个第一热压辊23和前一个第二输送辊32形成三角形，前一第二输送辊32、前一个第二热压辊33与后一个第一输送辊22形成三角形，第一面涂布装置2带动聚合物膜1沿三角形的两边向左移动，第二面涂布装置3带动聚合物膜1沿三角形两边方向向右移动，使得聚合物膜1在第一面涂布装置2的第一热压辊23与第二面涂布装置3的第二输送辊32之间卷绕时发生翻面。
本实施例仅通过设计滚轮组的结构位置，即可实现聚合物膜1的双面涂布，该装置结构紧凑、两面涂布交替进行，两侧的输送辊和热压辊的个数相同或者差别为1，可以通过采用不同浓度的催化剂溶液实现两侧不同担载量的催化剂层。而且相比于实施例1的制造装置，通过交替对聚合物膜1的两面进行提拉、加热滚压，催化剂薄膜干燥过程更为均匀，使得制备的催化剂层更加均匀，易于形成担载量较大、性能较好的膜电极，实施例1和实施例2对应的两种装置和工艺可以依据制备产物的要求进行选择。
实施例3
本实施例提供一种膜电极的制备工艺，采用如图1所示的实施例1提供的膜电极的制造装置制造而成，包括以下步骤：
(1)单侧催化剂层制备步骤：将聚合物膜1依次先交替卷绕于5组第一输送辊22的下表面和第一热压辊23的上表面，再卷绕于转向辊34的左侧表面，再交替卷绕于5组第二输送辊32的下表面和第二热压辊33的上表面。驱动第一输送辊22、第一热压辊23、转向辊34、第二输送辊32和第二热压辊33同步转动，第一输送辊22转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1的第一面没入催化剂溶液中，第一热压辊23转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1提拉出催化剂溶液，在聚合物膜1的第一面形成第一催化剂薄膜，并加热滚压第一催化剂薄膜，通过5组第一输送辊22和第一热压辊23，聚合物膜1重复经过5次上述的没入催化剂、提拉出催化剂和加热滚压过程，得到单侧催化剂层。
作为本发明的一个实施例，本实施例中，所述聚合物膜1厚度为80μm，作为本发明的可变换实施，所述聚合物膜1的厚度还可以为10μm～150μm，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
所述聚合物膜1为质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜中的至少一种。
所述质子交换膜为全氟磺酸膜膜、部分氟化磺酸膜、非氟磺酸膜、磺化聚醚醚酮膜、磺化聚苯乙烯膜、磺化聚苯并咪哩膜、磺化聚酞亚胺膜、磺化聚醚矾膜中的至少一种；所述阴离子交换膜为季铵化聚矾膜、季铵化聚苯醚膜、季铵化聚苯乙烯膜中的至少一种；所述双极膜为聚乙烯亚胺与聚丙烯酸钠膜、苯乙烯季铵与聚丙烯酸钠膜、聚乙烯亚胺与苯乙烯磺酸膜中的至少一种。
作为本发明的一个实施例，本实施例中，所述聚合物膜1为全氟磺酸膜。
作为本发明的一个实施例，本实施例的单侧催化剂层制备步骤中：加热滚压的温度为125℃，压力为0.1MPa。作为本发明的可变换实施，加热滚压过程的压力为0.1KPa-1MPa，温度为80℃-400℃，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
作为本发明的一个实施例，本实施例的单侧催化剂层制备步骤中：提拉过程中，提拉速度为1cm/s，催化剂溶液为含Pt/C催化剂(40wt％，Pt)的Nation溶液，Pt/C催化剂溶液的浓度为5mol/l，作为本发明的可变换实施，所述提拉过程中，提拉速度为0.1mm/s-10cm/s；所述催化剂溶液的浓度为0.1mol/l-20mol/l，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
(2)双侧催化剂层制备步骤：转向辊34转动的同时带动将聚合物膜1输送至第二输送辊32并暴露出聚合物膜1的第二面，第二输送辊32转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1的第二面没入催化剂溶液中，第二热压辊33转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1提拉出催化剂溶液，在聚合物膜1的第二面形成第二催化剂薄膜，并加热滚压第二催化剂薄膜，通过5组第二输送辊32和第二热压辊33，聚合物膜1重复经过5次上述的没入催化剂、提拉出催化剂和加热滚压过程，得到双侧催化剂层；
作为本发明的一个实施例，本实施例的双侧催化剂层制备步骤中：温度为125℃，压力为0.1MPa。作为本发明的可变换实施，加热滚压过程的压力为0.1KPa-1MPa，温度为80℃-400℃，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
作为本发明的一个实施例，本实施例的双侧催化剂层制备步骤中：提拉过程中，提拉速度为1cm/s，催化剂溶液的浓度为5mol/l，作为本发明的可变换实施，所述提拉过程中，提拉速度为0.1mm/s-10cm/s；所述催化剂溶液的浓度为0.1mol/l-20mol/l，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
实施例4
本实施例提供一种膜电极的制备工艺，采用如图2所示的实施例2提供的膜电极的制造装置制造而成，包括以下步骤：
(1)单侧催化剂层制备步骤：
将聚合物膜1依次先交替卷绕于3组第一输送辊22的下表面和第一热压辊23的上表面，再卷绕于转向辊34的左侧表面，再交替卷绕于3组第二输送辊32的下表面和第二热压辊33的上表面。驱动第一输送辊22、第一热压辊23、转向辊34、第二输送辊32和第二热压辊33同步转动，第一输送辊22转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1的第一面没入催化剂溶液中，第一热压辊23转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1提拉出催化剂溶液，在聚合物膜1的第一面形成第一催化剂薄膜，并加热滚压第一催化剂薄膜，通过5组第一输送辊22和第一热压辊23，聚合物膜1重复经过5次上述的没入催化剂、提拉出催化剂和加热滚压过程，单侧涂布催化剂层的聚合物膜1；其中，所述聚合物膜1的厚度为80μm，材质为季铵化聚砜膜，加热滚压的温度为125℃，压力为0.1MPa，提拉过程中，提拉速度为1cm/s，催化剂溶液为含Pt/C催化剂(40wt％，Pt)的Nation溶液，Pt/C催化剂溶液的浓度为5mol/l。
(2)双侧催化剂层制备步骤：转向辊34转动的同时带动将聚合物膜1输送至第二输送辊32并暴露出聚合物膜1的第二面，第二输送辊32转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1的第二面没入催化剂溶液中，第二热压辊33转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1提拉出催化剂溶液，在聚合物膜1的第二面形成第二催化剂薄膜，并加热第二催化剂薄膜，通过5组第二输送辊32和第二热压辊33，聚合物膜1重复经过5次上述的没入催化剂、提拉出催化剂和加热滚压过程，得到双侧催化剂层；即得膜电极。其中，所述聚合物膜1的厚度为80μm，材质为季铵化聚砜膜，加热滚压的温度为125℃，压力为0.1MPa，提拉过程中，提拉速度为1cm/s，催化剂溶液的浓度为5mol/l。
实施例5
本实施例提供一种膜电极的制备工艺，采用如图2所示的实施例2提供的膜电极的制造装置制造而成，包括以下步骤：
(1)单侧催化剂层制备步骤：
将聚合物膜1依次先交替卷绕于3组第一输送辊22的下表面和第一热压辊23的上表面，再卷绕于转向辊34的左侧表面，再交替卷绕于3组第二输送辊32的下表面和第二热压辊33的上表面。驱动第一输送辊22、第一热压辊23、转向辊34、第二输送辊32和第二热压辊33同步转动，第一输送辊22转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1的第一面没入催化剂溶液中，第一热压辊23转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1提拉出催化剂溶液，在聚合物膜1的第一面形成第一催化剂薄膜，并加热滚压第一催化剂薄膜，通过5组第一输送辊22和第一热压辊23，聚合物膜1重复经过5次上述的没入催化剂、提拉出催化剂和加热滚压过程，单侧涂布催化剂层的聚合物膜1；其中，所述聚合物膜1的厚度为20μm，材质为季铵化聚砜膜，加热滚压的温度为300℃，压力为0.1KPa，提拉过程中，提拉速度为0.1mm/s，催化剂溶液为含Pt/C催化剂(40wt％，Pt)的Nation溶液，Pt/C催化剂溶液的浓度为0.1mol/l。
(2)双侧催化剂层制备步骤：转向辊34转动的同时带动将聚合物膜1输送至第二输送辊32并暴露出聚合物膜1的第二面，第二输送辊32转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1的第二面没入催化剂溶液中，第二热压辊33转动的同时带动卷绕于其外表面的聚合物膜1提拉出催化剂溶液，在聚合物膜1的第二面形成第二催化剂薄膜，并加热第二催化剂薄膜，通过5组第二输送辊32和第二热压辊33，聚合物膜1重复经过5次上述的没入催化剂、提拉出催化剂和加热滚压过程，得到双侧催化剂层；即得膜电极。其中，所述聚合物膜1的厚度为20μm，材质为季铵化聚砜膜，加热滚压的温度为80℃，压力为1MPa，提拉过程中，提拉速度为10cm/s，催化剂溶液的浓度为20mol/l。
对比例1
参照专利文献CN106299426A的实施例1的方法制得膜电极。
将实施例4和对比例1中的膜电极所制得的膜电极进行测试，在70℃，氢气空气相对湿度55％的条件下功率密度可达1.09W/cm2(电压为0.6V)，对比例1传统的聚合物膜燃料电池在与实施例1相同实验条件下的功率密度在0.84W/cm2(电压为0.6V)。由此可见这种高效均匀双面快速膜电极涂布工艺可以很好的提高聚合物膜燃料电池的性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种膜电极的制备工艺，其特征在于，包括，
单侧催化剂层的制备步骤：
将聚合物膜没入催化剂溶液中，再提拉出催化剂溶液，在聚合物膜的一侧形成第一催化剂薄膜，对第一催化剂薄膜进行加热滚压，得到单侧涂布催化剂层的聚合物膜；
双侧催化剂层的制备步骤：
将聚合物膜没入催化剂溶液中，再提拉出催化剂溶液，在聚合物膜的另一侧形成第二催化剂薄膜，对第二催化剂薄膜进行加热滚压，得到膜电极。
2.根据权利要求1所述的膜电极的制备工艺，其特征在于，还包括：交替重复多次进行所述单侧催化剂层的制备步骤和双侧催化剂层的制备步骤；或者，
先重复多次进行所述单侧催化剂层的制备步骤，后重复多次进行所述双侧催化剂层的制备步骤。
3.根据权利要求1或2所述的膜电极的制备工艺，其特征在于，在所述单侧催化剂层的制备步骤和/或所述双侧催化剂层的制备步骤中，
在提拉过程中，提拉速度为0.1mm/s-10cm/s；和/或，
所述催化剂溶液的浓度为0.1mol/l-20mol/l。
4.根据权利要求1-3任一所述的膜电极的制备工艺，其特征在于，在所述单侧催化剂层的制备步骤和/或所述双侧催化剂层的制备步骤中，在加热滚压过程的压力为0.1KPa-1MPa，温度为80℃-400℃。
5.根据权利要求1-4任一所述的膜电极的制备工艺，其特征在于，还包括对催化剂溶液进行搅拌的步骤。
6.根据权利要求1-5任一所述的膜电极的制备工艺，其特征在于，所述聚合物膜为质子交换膜、阴离子交换膜、双极膜中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的膜电极的制备工艺，其特征在于，所述质子交换膜为全氟磺酸膜膜、部分氟化磺酸膜、非氟磺酸膜、磺化聚醚醚酮膜、磺化聚苯乙烯膜、磺化聚苯并咪哩膜、磺化聚酞亚胺膜、磺化聚醚矾膜中的至少一种；所述阴离子交换膜为季铵化聚矾膜、季铵化聚苯醚膜、季铵化聚苯乙烯膜中的至少一种；所述双极膜为聚乙烯亚胺与聚丙烯酸钠膜、苯乙烯季铵与聚丙烯酸钠膜、聚乙烯亚胺与苯乙烯磺酸膜中的至少一种。
8.一种膜电极的制造装置，其特征在于，包括容器、输送辊和热压辊，所述输送辊和热压辊均具有至少两个；
容器，用于容置催化剂溶液；
输送辊，至少部分位于容器内且与催化剂溶液接触，将聚合物膜交替卷绕于输送辊和热压辊上，所述输送辊带动卷绕于其外表面的聚合物膜没入催化剂溶液中；
热压辊，位于催化剂溶液的上方，带动卷绕于其外表面的聚合物膜提拉出催化剂溶液并加热滚压聚合物膜。
9.根据权利要求8所述的膜电极的制造装置，其特征在于，所述热压辊的提拉方向与催化剂溶液的液面的夹角为90°或60°。
10.根据权利要求8或9所述的膜电极的制造装置，其特征在于，所述输送辊包括第一输送辊和第二输送辊，所述热压辊包括第一热压辊和第二热压辊，所述第一热压辊和第二输送辊之间还设置有用于对聚合物膜进行翻面的转向辊。
11.根据权利要求10所述的膜电极的制造装置，其特征在于，所述第一输送辊和/或第一热压辊设置有1-20个；所述第二输送辊和/或第二热压辊设置有1-20个。
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