CN112701337B - 一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池ccm的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置及方法，该装置沿着质子交换膜行进的方向，包括涂布装置、转印装置和循环利用装置，所述涂布装置包括第一转印介质涂布设备和第二转印介质涂布设备；所述转印装置依次包括质子交换膜放卷装置、去除质子交换膜背膜的收卷装置和热辊压转印装置，所述热辊压转印装置将质子交换膜、阳极转印介质膜与阴极转印介质膜压合；所述循环利用装置包括剥离后的转印介质清洗装置，所述转印介质清洗装置一侧设有干燥装置。本发明转印介质涂布工艺与转印工艺一体化，提高了生产效率，且转印介质的循环利用降低了生产成本。

Description

一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置及方法，属于电池膜电极技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC) 作为一种新型的清洁能源，由于其低污染甚至是无污染性被全球广泛关注。而PEMFC的核心部件膜电极 (Membrane Electrode Assembly, MEA)，是燃料电池发生氧化还原的主要场所，也是研究者们研究的重点，特别是对其制作工艺的研究。转印法是将预先配好的催化剂浆料涂布、印刷或者喷涂到某种转印介质上，经过干燥后将其催化剂层再转印到质子交换膜上，得到催化剂覆盖的质子交换膜 (Catalyst Coated Membrane, CCM)。由于在转印前已经去除了溶剂，质子交换膜不会出现溶胀的现象，而且催化剂层与质子交换膜的结合力增强，因此转印法被认为是适合商业连续化生产膜电极的一种方法。

传统的卷对卷转印法制备膜电极过程中，由于采用的是一组上下两个热转印辊，转印辊转动速率较快，导致热压过程较短，为了提高转印率，需提高转印温度以及增大转印压力，从而导致膜失水严重以及催化层比较密实，增加了传质阻力，而且转印完成后转印介质直接收卷，没有重复利用，生产成本较高。

日本专利JP特开2010-153188A公开了一种燃料电池膜电极的方法，采用平板转印工艺，将两张涂覆有催化剂层的转印片与质子交换膜上表面和下表面重叠，其特征是在转印片下方铺上一层凝胶构件，优选使用含硅凝胶片，凝胶构件略大于催化剂层转印片，其目的是提高转印过程中催化剂的利用率。但是该方法不适合大面积转印，不利于排除气泡导致转印率低，并且该方法工艺不利于工业化生产。

中国专利CN 109768290公开了一种燃料电池催化剂涂覆膜制备方法和制备装置，其中对质子交换膜进行涂布A面，对转移介质膜进行涂布B面，然后热压所述转移介质膜和所述质子交换膜，制备催化剂涂覆膜，该方法避免了双面涂布造成质子交换膜溶胀的问题，以及提高了燃料电池膜电极制备效率。但是质子交换膜经过一次高温干燥和一次热压，会导致膜失水进而影响传质。

中国专利CN 210429979 U提供了一种燃料电池膜电极生产装置，包括第一转印膜放卷机构、质子交换膜放卷机构以及第二转印膜放卷机构，三者经过辊压进行热转印，本方法提高了催化剂转印至质子交换膜上的转印率，进而提高膜电极产品的成品率。但是该方法需预先涂布好转印膜样品，而且转印完成后转印介质无法重复利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置及方法，转印介质涂布工艺与转印工艺一体化，提高了生产效率，且转印介质的循环利用降低了生产成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，沿着质子交换膜行进的方向，包括涂布装置、转印装置和循环利用装置，

所述涂布装置包括用于阴极转印浆料涂布的第一转印介质涂布设备和用于阳极转印浆料涂布的第二转印介质涂布设备，所述第一转印介质涂布设备一侧设有用于烘干所述转印介质的第一干燥设备，所述第二转印介质涂布设备一侧设有用于烘干所述转印介质的第二干燥设备；

所述转印装置依次包括质子交换膜放卷装置、去除质子交换膜背膜的收卷装置和热辊压转印装置，所述热辊压转印装置将质子交换膜、阳极转印介质膜与阴极转印介质膜压合，所述热辊压转印装置包括阳极和阴极的钢辊与胶辊组合排布；

所述循环利用装置包括剥离后的转印介质清洗装置，所述转印介质清洗装置一侧设有用于烘干所述转印介质的干燥装置。

优选地，所述热辊压转印装置包括三组热转压辊，每组上下两个转压辊分别为钢辊和胶辊，同一侧钢辊与胶辊交替排布。

优选地，所述转印装置还包括冷却辊，所述冷却辊设置在热辊压转印装置的一侧，所述冷却辊分为左冷却辊和右冷却辊，同为钢辊。

优选地，还包括转印介质上催化层CCD检测装置、CCM成品检测装置，所述CCD检测装置分别设置在第一干燥设备和第二干燥设备的一侧，所述CCM成品检测装置设置在热辊压转印装置一侧。

优选地，所述CCM成品检测装置一侧还依次设有膜电极保护膜放卷装置和CCM成品收卷装置。

优选地，所述循环利用装置中还包括将转印介质压平的热辊压装置以及用于检测所述转印介质的转印介质检测装置，所述热辊压装置和转印介质检测装置依次设置在所述干燥装置一侧；所述热辊压装置包括阳极热辊压装置以及阴极热辊压装置，所述转印介质检测装置包括阳极转印介质检测装置以及阴极转印介质检测装置。

优选地，所述循环利用装置中，转印介质清洗装置包括阳极转印介质清洗装置以及阴极转印介质清洗装置，所述用于烘干转印介质的干燥装置包括阳极干燥装置以及阴极干燥装置。

优选地，所述循环利用装置中转印介质清洗装置采用超声波清洗。

优选地，循环利用的转印介质为聚四氟乙烯膜、离型膜、聚酰亚胺膜、锡箔纸中的一种。

本发明还提供一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的方法，包括：

采用狭缝涂布的方式，阴极浆料通过第一转印介质涂布设备涂布到第一高温布转印介质上，同时阳极浆料通过第二转印介质涂布设备涂布到第二高温布转印介质上，阴极和阳极转印介质涂布完成后经过第一干燥设备和第二干燥设备进行干燥；

干燥完成后通过CCD检测装置对涂布的催化剂层进行检测；

质子交换膜放卷装置传送质子交换膜，并通过收卷装置去除质子交换膜的保护膜；

阳极转印介质、阴极转印介质以及质子交换膜三者通过三组热转压辊将阳极和阴极催化层转印到质子交换膜上，经过冷却辊后将转印介质剥离；

转印介质剥离后，覆有催化剂层的质子交换膜通过检测装置进行检测，标记出有缺陷的地方，然后沿着质子交换膜行进的方向，通过保护膜放卷装置将保护膜贴合到覆有催化剂层的质子交换膜上，然后经过收卷装置将覆有催化剂层的质子交换膜进行收卷；

剥离后的转印介质通过导向辊经过转印介质清洗装置进行清洗，以去除转印介质上未转印下来的催化剂，然后经过干燥装置进行干燥，干燥完成后经过热压辊装置将转印介质压平整，然后通过转印介质检测装置对转印介质表面进行检测，合格后继续重复利用。

本发明所达到的有益效果：

（1）转印介质涂布工艺与转印工艺一体化，提高了生产效率；

（2）三组转压辊进行辊压转印，并且钢辊与胶辊交替使用，在提高转印率的同时可以降低转印温度，减少质子交换膜的失水，进而提升膜电极性能；

（3）转印介质的循环利用降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，沿着质子交换膜103行进的方向，包括涂布装置、转印装置和循环利用装置，

所述涂布装置包括用于阴极转印浆料涂布的第一转印介质涂布设备1和用于阳极转印浆料涂布的第二转印介质涂布设备2，所述第一转印介质涂布设备1一侧设有用于烘干所述转印介质的第一干燥设备3，所述第二转印介质涂布设备2一侧设有用于烘干所述转印介质的第二干燥设备4；

所述转印装置依次包括质子交换膜放卷装置6、去除质子交换膜背膜的收卷装置7和热辊压转印装置，所述热辊压转印装置将质子交换膜103、阳极转印介质膜104与阴极转印介质膜105压合，所述热辊压转印装置包括阳极和阴极的钢辊与胶辊组合排布；

所述循环利用装置包括剥离后的转印介质清洗装置16，所述转印介质清洗装置16一侧设有用于烘干所述转印介质的干燥装置17。

所述热辊压转印装置包括三组热转压辊，每组上下两个转压辊分别为钢辊和胶辊，同一侧钢辊与胶辊交替排布。所述转印装置还包括冷却辊，所述冷却辊设置在热辊压转印装置的一侧，所述冷却辊分为左冷却辊14和右冷却辊15，同为钢辊。

还包括转印介质上催化层CCD检测装置5、CCM成品检测装置22，所述CCD检测装置5分别设置在第一干燥设备3和第二干燥设备4的一侧，所述CCM成品检测装置22设置在热辊压转印装置一侧。所述CCM成品检测装置22一侧还依次设有膜电极保护膜放卷装置20和CCM成品收卷装置21。

所述循环利用装置中还包括将转印介质压平的热辊压装置18以及用于检测所述转印介质的转印介质检测装置19，所述热辊压装置18和转印介质检测装置19依次设置在所述干燥装置17一侧；所述热辊压装置18包括阳极热辊压装置以及阴极热辊压装置，所述转印介质检测装置19包括阳极转印介质检测装置以及阴极转印介质检测装置。

所述循环利用装置中，转印介质清洗装置16包括阳极转印介质清洗装置以及阴极转印介质清洗装置，所述用于烘干转印介质的干燥装置17包括阳极干燥装置以及阴极干燥装置。

所述循环利用装置中转印介质清洗装置16采用超声波清洗。

循环利用的转印介质为聚四氟乙烯膜、离型膜、聚酰亚胺膜、锡箔纸中的一种。

本发明还提供一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的方法，包括：

（1）采用狭缝涂布的方式，阴极浆料通过第一转印介质涂布设备1涂布到第一高温布转印介质101上，同时阳极浆料通过第二转印介质涂布设备2涂布到第二高温布转印介质102上，阴极和阳极转印介质涂布完成后经过第一干燥设备3和第二干燥设备4进行干燥；

（2）干燥完成后通过CCD检测装置5对涂布的催化剂层进行检测；

（3）质子交换膜放卷装置6传送质子交换膜，并通过收卷装置7去除质子交换膜的保护膜；其中阳极转印介质104、阴极转印介质105以及质子交换膜103三者传送方向与速度相同。

（4）阳极转印介质104、阴极转印介质105以及质子交换膜103三者通过三组热转压辊将阳极和阴极催化层转印到质子交换膜上，经过冷却辊后将转印介质剥离；热转压辊采用钢辊与胶辊交替排布，钢辊传热性好而胶辊的弹性能使催化剂的转印率提高。冷却辊通常采用钢辊也可以使用胶辊；

（5）转印介质剥离后，覆有催化剂层的质子交换膜通过检测装置22进行检测，标记出有缺陷的地方，然后沿着质子交换膜行进的方向，通过保护膜放卷装置20将保护膜贴合到覆有催化剂层的质子交换膜上，然后经过收卷装置21将覆有催化剂层的质子交换膜进行收卷；

（6）剥离后的转印介质通过导向辊经过转印介质清洗装置16进行清洗，以去除转印介质上未转印下来的催化剂，然后经过干燥装置17进行干燥，干燥完成后经过热压辊装置18将转印介质压平整，然后通过转印介质检测装置19对转印介质表面进行检测，合格后继续重复利用。

转印介质的头部和尾部可以使用带胶层的PEN材料进行连接，也可以使用其他耐高温的材料，并且胶层在高温下粘性不会降低。

本发明转印介质涂布工艺与转印工艺一体化，提高了生产效率；三组转压辊进行辊压转印，并且钢辊与胶辊交替使用，在提高转印率的同时可以降低转印温度，减少质子交换膜的失水，进而提升膜电极性能；转印介质的循环利用降低了生产成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，其特征在于，沿着质子交换膜（103）行进的方向，包括涂布装置、转印装置和循环利用装置，

所述涂布装置包括用于阴极转印浆料涂布的第一转印介质涂布设备（1）和用于阳极转印浆料涂布的第二转印介质涂布设备（2），所述第一转印介质涂布设备（1）一侧设有用于烘干所述转印介质的第一干燥设备（3），所述第二转印介质涂布设备（2）一侧设有用于烘干所述转印介质的第二干燥设备（4）；

所述转印装置依次包括质子交换膜放卷装置（6）、去除质子交换膜背膜的收卷装置（7）和热辊压转印装置，所述热辊压转印装置将质子交换膜（103）、阳极转印介质膜（104）与阴极转印介质膜（105）压合，所述热辊压转印装置包括阳极和阴极的钢辊与胶辊组合排布；

所述循环利用装置包括剥离后的转印介质清洗装置（16），所述转印介质清洗装置（16）一侧设有用于烘干所述转印介质的干燥装置（17）。

2.根据权利要求1所述的循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，其特征在于，所述热辊压转印装置包括三组热转压辊，每组上下两个转压辊分别为钢辊和胶辊，同一侧钢辊与胶辊交替排布。

3.根据权利要求1所述的循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，其特征在于，所述转印装置还包括冷却辊，所述冷却辊设置在热辊压转印装置的一侧，所述冷却辊分为左冷却辊（14）和右冷却辊（15），同为钢辊。

4.根据权利要求1所述的循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，其特征在于，还包括转印介质上催化层CCD检测装置（5）、CCM成品检测装置（22），所述CCD检测装置（5）分别设置在第一干燥设备（3）和第二干燥设备（4）的一侧，所述CCM成品检测装置（22）设置在热辊压转印装置一侧。

5.根据权利要求4所述的循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，其特征在于，所述CCM成品检测装置（22）一侧还依次设有膜电极保护膜放卷装置（20）和CCM成品收卷装置（21）。

6.根据权利要求1所述的循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，其特征在于，所述循环利用装置中还包括将转印介质压平的热辊压装置（18）以及用于检测所述转印介质的转印介质检测装置（19），所述热辊压装置（18）和转印介质检测装置（19）依次设置在所述干燥装置（17）一侧；所述热辊压装置（18）包括阳极热辊压装置以及阴极热辊压装置，所述转印介质检测装置（19）包括阳极转印介质检测装置以及阴极转印介质检测装置。

7.根据权利要求1所述的循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，其特征在于，所述循环利用装置中，转印介质清洗装置（16）包括阳极转印介质清洗装置以及阴极转印介质清洗装置，所述用于烘干转印介质的干燥装置（17）包括阳极干燥装置以及阴极干燥装置。

8.根据权利要求1所述的循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，其特征在于，所述循环利用装置中转印介质清洗装置（16）采用超声波清洗。

9.根据权利要求1所述的循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的装置，其特征在于，循环利用的转印介质为聚四氟乙烯膜、离型膜、聚酰亚胺膜、锡箔纸中的一种。

10.一种循环利用转印介质连续化制备燃料电池CCM的方法，其特征在于，包括：

采用狭缝涂布的方式，阴极浆料通过第一转印介质涂布设备（1）涂布到第一高温布转印介质（101）上，同时阳极浆料通过第二转印介质涂布设备（2）涂布到第二高温布转印介质（102）上，阴极和阳极转印介质涂布完成后经过第一干燥设备（3）和第二干燥设备（4）进行干燥；

干燥完成后通过CCD检测装置（5）对涂布的催化剂层进行检测；

质子交换膜放卷装置（6）传送质子交换膜，并通过收卷装置（7）去除质子交换膜的保护膜；

阳极转印介质（104）、阴极转印介质（105）以及质子交换膜（103）三者通过三组热转压辊将阳极和阴极催化层转印到质子交换膜上，经过冷却辊后将转印介质剥离；

转印介质剥离后，覆有催化剂层的质子交换膜通过检测装置（22）进行检测，标记出有缺陷的地方，然后沿着质子交换膜行进的方向，通过保护膜放卷装置（20）将保护膜贴合到覆有催化剂层的质子交换膜上，然后经过收卷装置（21）将覆有催化剂层的质子交换膜进行收卷；

剥离后的转印介质通过导向辊经过转印介质清洗装置（16）进行清洗，以去除转印介质上未转印下来的催化剂，然后经过干燥装置（（17）进行干燥，干燥完成后经过热压辊装置（18）将转印介质压平整，然后通过转印介质检测装置（19）对转印介质表面进行检测，合格后继续重复利用。

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