CN115064746A - 一种适用于燃料电池膜电极的生产系统及使用方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于燃料电池膜电极的生产系统，属于燃料电池技术领域，包括定位模具，压力设备，对辊机以及热压设备，定位模具配合压力设备、对辊机以及热压设备使用，通过定位模具，实现边框材料、质子交换膜、边框材料的三合一，在机械压力作用下持压一段时间，实现喷涂区域的定位，经过封边处理后得到封装后的质子交换膜；四氟膜、碳纸、封装后的质子交换膜、四氟膜、碳纸依次置于定位模具下模上，实现其精确定位后，合模热压得到MEA。本发明的生产系统克服了MEA催化层喷涂和封装过程中造成膜电极高度不一致的缺点，大大提高了膜电极中各片膜电极理化参数的高度一致性，有利于批量生产均一稳定的膜电极。

Description

一种适用于燃料电池膜电极的生产系统及使用方法与应用
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种适用于制备高度一致性燃料电池膜电极的生产系统及使用方法与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。膜电极(MEA)是构成燃料电池的核心部件，与燃料电池的发电直接相关。燃料电池电堆性能和寿命取决于膜电极，单节燃料电池失效意味着燃料电池电堆整体失效。实现各片膜电极理化参数高度一致，是组装高性能长寿命燃料电池电堆的关键。目前，膜电极的制备过程中，催化层喷涂和封装过程中无法控制各片膜电极理化参数高度一致。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种适用于燃料电池膜电极的生产系统及其使用方法与应用，克服了MEA催化层喷涂和封装过程中造成膜电极高度不一致的缺点，大大提高了所制备膜电极中各片膜电极理化参数的高度一致性，有利于批量生产均一稳定的膜电极。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，提供一种适用于燃料电池膜电极的生产系统，包括定位模具，压力设备，对辊机，热压设备以及质子交换膜膜电极喷涂装置；定位模具由上、下模具构成，上下模具均带有定位装置且上下模具表面平整光滑，依次放置的MEA组件可通过定位装置实现精准定位放置；压力设备用于压合定位模具，经过压合获得三合一的质子交换膜；对辊机用于对三合一的质子交换膜进行封装；所述热压设备用于对定位模具及其中依次放置的MEA组件进行热压，获得MEA；所述质子交换膜膜电极喷涂装置用于在质子交换膜上喷涂正负极。
本发明中定位模具由上、下模具构成，上下模具均带有定位装置且上下模具表面平整光滑。依次放置的MEA组件可通过定位装置实现精准定位，从而提高批量生产中膜电极的一致性。
第二方面，提供一种上述的适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法，其特征在于，包括：
(1)喷涂区域的定位：将聚合物边框材料、质子交换膜、聚合物边框材料依次置于定位模具中配合压力设备，经过压合获得三合一的质子交换膜，三合一的质子交换膜经过质子交换膜膜电极喷涂装置在质子交换膜两面喷涂正负极；
(2)封装处理：将喷涂正负极后的质子交换膜经对辊机挤压获得封装后的质子交换膜；
(3)热压处理：将四氟膜、碳纸、封装后的质子交换膜、四氟膜、碳纸依次放置于定位模具中，合模经热压设备得到MEA。
第三方面，提供上述适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法生产的燃料电池膜电极。
第四方面，提供上述适用于燃料电池膜电极的生产系统或第三方面的燃料电池膜电极在燃料电池膜电极领域中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明所提供的燃料电池膜电极生产系统及其使用方法，通过定位模具，实现边框材料、质子交换膜、边框材料的三合一，在机械压力作用下持压一段时间，实现喷涂区域的定位，保证正负极的精准喷涂。
本发明所提供的燃料电池膜电极生产系统，封边处理中，经过对辊机前后胶辊对压挤泡后实现对质子交换膜的封装无泡处理，有效避免了热压过程中因压力不均导致产生气泡等缺陷，影响膜电极密封效果，减少膜电极的使用寿命，大大提高了膜电极的质量。
本发明所提供的燃料电池膜电极生产系统，热压处理中，碳纸经过热压与催化层、质子交换膜紧密贴合构建三相反应界面，膜电极内阻在一定程度上降到最小，提升了膜电极性能。且热压过程中，通过定位模具，依次放置四氟膜垫片、碳纸、封边后的质子交换膜、四氟膜垫片、碳纸，最后将定位模具放于专用热压设备工作平台上，此种放置方式可使热压过程中压力更加均匀，大大提升了热压精度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1本发明适用于燃料电池膜电极的生产系统的系统流程图；
图2本发明实施例1-3燃料电池膜电极的生产系统采用的定位模具结构示意图；
图3本发明实施例1-3燃料电池膜电极喷涂区域的定位中质子交换膜组装图；
图4本发明实施例1-3燃料电池膜电极热压处理中膜电极组装图。
其中，1、定位通孔，2、上模具，3、定位螺丝，4、下模具，5、聚合物边框材料，6、质子交换膜，7、定位通孔，8、喷涂区域定位后的质子交换膜，9、碳纸，10、四氟膜。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于MEA催化层喷涂和封装过程中造成膜电极高度不一致，影响膜电极的性能进而影响燃料电池的使用寿命，本发明提供了一种用于燃料电池膜电极的生产系统，通过定位模具与压力设备、对辊机以及热压设备的配合使用，克服了MEA催化层喷涂和封装过程中造成膜电极高度不一致的缺点，大大提高了膜电极中各片膜电极理化参数的高度一致性，有利于批量生产均一稳定的膜电极。
本发明的一种典型实施方式，一种适用于燃料电池膜电极的生产系统，包括定位模具，压力设备，对辊机，热压设备以及质子交换膜膜电极喷涂装置；所述定位模具由上、下模具构成，上下模具均带有定位装置且上下模具表面平整光滑，依次放置的MEA组件可通过定位装置实现精准定位放置；所述压力设备用于压合定位模具，经过压合获得三合一的质子交换膜；所述对辊机用于对三合一的质子交换膜进行封装；所述热压设备用于对定位模具及其中依次放置的MEA组件进行热压，获得MEA；所述质子交换膜膜电极喷涂装置用于在质子交换膜上喷涂正负极。
本发明中定位模具由上、下模具构成，上下模具均带有定位装置且上下模具表面平整光滑。依次放置的MEA组件可通过定位装置实现精准定位，从而提高批量生产中膜电极的一致性。
本发明中对定位模具的具体尺寸并不作特殊的限定，大于依次放置的MEA组件的尺寸且可实现其定位放置即可，可根据工况进行自主选择。
该实施方式的一些实施例中，所述上下模具为金属板，优选为钢板，厚度为0.5-1cm,此厚度下钢板的传热速度和传递的热量满足热压要求的，也满足压合平整度的要求。
该实施方式的一些实施例中，所述定位装置包括但不限于定位螺丝与定位通孔配合组成，定位螺丝与定位通孔的位置按照膜电极预设要求确定。
本发明中对定位装置的种类及位置并不作特殊的限定，在一些实施例中，所述定位装置由定位螺丝与定位通孔组成，定位螺丝与定位通孔的位置按照膜电极预设要求确定。
本发明中对压力设备的种类并不作特殊的限定，在一些实施例中，所述压力设备拉力机、平板硫化机、冲床、液压机中的任意一种，可根据工况进行自主选择。
本发明中对热压设备的种类并不作特殊的限定，在一些实施例中，所述热压设备高低温拉力机、平板热压机、热压成型机中的任意一种，可根据工况进行自主选择。
本发明中对质子交换膜膜电极喷涂装置的种类并不作特殊的限定，能实现在质子交换膜上均匀喷涂正负极即可。
本发明的另一种典型实施方式，上述适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法，包括：
(1)喷涂区域的定位：将聚合物边框材料、质子交换膜、聚合物边框材料依次置于定位模具中配合压力设备，经过压合获得三合一的质子交换膜，三合一的质子交换膜经过质子交换膜膜电极喷涂装置在质子交换膜两面喷涂正负极；
(2)封装处理：将喷涂正负极后的质子交换膜经对辊机挤压获得封装后的质子交换膜；
(3)热压处理：将四氟膜、碳纸、封装后的质子交换膜、四氟膜、碳纸依次放置于定位模具中，合膜经热压设备得到MEA。
通过定位模具配合压力设备、对辊机以及热压设备使用，通过喷涂区域的定位、封边处理、热压处理三个步骤，大大提高了膜电极中各片膜电极理化参数的高度一致性，具体步骤如下：
步骤一：喷涂区域的定位：在定位模具中通过定位装置依次放置经预处理后的聚合物边框材料、质子交换膜、聚合物边框材料后合膜，合模后将此模具置于压力设备工作平台上，在物理压力的作用下冷压定位，得到三合一的质子交换膜，将三合一的质子交换膜经过质子交换膜膜电极喷涂装置在质子交换膜两面喷涂正负极。
步骤二：封装处理：将步骤一中喷涂正负极后的质子交换膜水平送入对辊机，经前后胶辊对压挤泡后实现对质子交换膜的封装处理，有效避免了单一热压过程中因压力不均导致产生气泡等缺陷，大大提高了膜电极的质量。
步骤三：热压处理：在定位模具中通过定位装置依次放置经预处理后的四氟膜垫片、碳纸、封装后的质子交换膜、四氟膜垫片、碳纸后合模，并将此模具置于专用热压设备工作平台上，热压得到MEA。
进一步的，所述MEA组件在依次放置于定位模具前，需要经过预处理步骤，所述预处理为依据定位模具中的定位装置对MEA组件进行处理，限定组件放置的位置。
如图3、4所示，聚合物边框材料及四氟膜上设有通孔，孔的位置与尺寸同质子交换膜上的一致，且与定位模具上的定位装置相吻合。聚合物边框材料及四氟膜的内边框尺寸与碳纸尺寸一致。通过聚合物边框材料及四氟膜的通孔和内边框的固定实现热压前各部分组件的定位装配达到保持膜电极高度一致的作用。优选的，四氟膜厚度约为碳纸厚度的0.5-1.2倍。
本发明中对预处理的方式并不作特殊的限定，在一些实施例中，所述预处理为根据定位螺丝和定位通孔的结构与位置对MEA组件进行切割开孔处理，以使其均可通过定位螺丝在定位模具中按照固定位置依次放置。
该实施方式的一些实施例中，喷涂区域的定位中，冷压定位时，保持压力在2kg/cm2-8kg/cm2、时间在2-10min。通过冷压定位将聚合物边框材料、质子交换膜、聚合物边框材料压合在一起，将聚合物边框材料与质子交换膜之间空气排出，利于之后封装处理，大大提高膜电极的封装质量。
该实施方式的一些实施例中，封装处理中，对辊机前后胶辊之间压力保持在0.1-1Mpa、温度为80-140℃。经前后胶辊对压挤泡后实现对质子交换膜的封装处理，有效避免了单一热压过程中因压力不均导致产生气泡等缺陷，大大提高了膜电极的密封质量，进一步提高膜电极的质量。
该实施方式的一些实施例中，热压处理中，热压压力为2kg/cm2-10kg/cm2，热压时间为1-10min。通过热压将膜电极的组件紧密结合在一起，得到性能优异、寿命长的膜电极。
本发明的第三种典型实施方式，提供一种上述适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法生产的燃料电池膜电极，其性能优异，使用寿命长。
本发明的第四种典型实施方式，上述燃料电池膜电极的生产系统或地三种典型实施方式中燃料电池膜电极在燃料电池领域中的应用
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1：
一种适用于燃料电池膜电极的生产系统，包括定位模具，压力设备，对辊机，热压设备以及质子交换膜膜电极喷涂装置，定位模具由上模具2、下模具4构成，表面平整光滑，上模具2带有定位通孔1，下模具4带有定位螺丝3，通过定位通孔1与定位螺丝3使得MEA组件在定位模具中按照固定的位置进行放置；压力设备为液压机，用于压合定位模具，经过喷涂区域的定位获得三合一的质子交换膜；质子交换膜膜电极喷涂装置用于在三合一的质子交换膜上喷涂正负极；对辊机用于对三合一的质子交换膜进行封装；热压设备为平板热压机，用于对定位模具及其中依次放置的MEA组件进行热压，获得MEA。
上下模具为钢板，厚度为0.75cm。
实施例2：
实施例1中的适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法：
(1)喷涂区域的定位：如图3所示，将定位模具的下模具4置于桌面上，根据预设要求经过下模具1上的定位螺丝3依次放置经预切割处理的聚合物边框材料5、质子交换膜6、聚合物边框材料5，最后将上模具2置于最顶层合模，通过上模具1中的定位通孔1实现上下模具的精准压合，合模后将此模具置于压力设备工作平台上，在物理压力的作用下冷压定位，保持压力为5kg/cm2，持压时间为6min，获得三合一的质子交换膜，三合一的质子交换膜经过质子交换膜膜电极喷涂装置在质子交换膜两面喷涂正负极。
(2)封边处理：将(1)中喷涂正负极的质子交换膜水平送入对辊机，对辊机前后胶辊之间压力保持在0.5Mpa、温度为110℃，经前后胶辊对压挤泡后实现对质子交换膜的封装处理。
(3)热压处理：如图4所述，将定位模具的下模具4置于桌面上,依次将经过预切割的四氟膜10、碳纸9、封装后的质子交换膜8、四氟膜10、碳纸9通过定位螺丝装置于下模具上实现精确定位，四氟膜厚度约为碳纸厚度的0.5倍，最后将带有定位通孔1的上模具2通过定位螺丝3置于最顶层完成合模，并将此模具置于专用热压设备工作平台上，保持压力在6kg/cm2、时间在5min，热压得到MEA。
实施例3：
实施例1中的适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法：
(1)喷涂区域的定位：如图3所示，将定位模具的下模具4置于桌面上，根据预设要求经过下模具1上的定位螺丝3依次放置经预切割处理的聚合物边框材料5、质子交换膜6、聚合物边框材料5，最后将上模具2置于最顶层合模，通过上模具1中的定位通孔1实现上下模具的精准压合，合模后将此模具置于压力设备工作平台上，在物理压力的作用下冷压定位，保持压力为2kg/cm2，持压时间为10min，获得三合一的质子交换膜，三合一的质子交换膜经过质子交换膜膜电极喷涂装置在质子交换膜两面喷涂正负极。
(2)封边处理：将(1)中喷涂正负极的质子交换膜水平送入对辊机，对辊机前后胶辊之间压力保持在0.1Mpa、温度为140℃，经前后胶辊对压挤泡后实现对质子交换膜的封装处理。
(3)热压处理：如图4所述，将定位模具的下模具4置于桌面上,依次将经过预切割的四氟膜10、碳纸9、封装后的质子交换膜8、四氟膜10、碳纸9通过定位螺丝装置于下模具上实现精确定位，四氟膜厚度约为碳纸厚度的0.7倍，最后将带有定位通孔1的上模具2通过定位螺丝3置于最顶层完成合模，并将此模具置于专用热压设备工作平台上，保持压力在2kg/cm2、时间在10min，热压得到MEA。
实施例4：
实施例1中的适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法：
(1)喷涂区域的定位：如图3所示，将定位模具的下模具4置于桌面上，根据预设要求经过下模具1上的定位螺丝3依次放置经预切割处理的聚合物边框材料5、质子交换膜6、聚合物边框材料5，最后将上模具2置于最顶层合模，通过上模具1中的定位通孔1实现上下模具的精准压合，合模后将此模具置于压力设备工作平台上，在物理压力的作用下冷压定位，保持压力为8kg/cm2，持压时间为2min，获得三合一的质子交换膜，三合一的质子交换膜经过质子交换膜膜电极喷涂装置在质子交换膜两面喷涂正负极。
(2)封边处理：将(1)中喷涂正负极的质子交换膜水平送入对辊机，对辊机前后胶辊之间压力保持在1Mpa、温度为80℃，经前后胶辊对压挤泡后实现对质子交换膜的封装处理。
(3)热压处理：如图4所述，将定位模具的下模具4置于桌面上,依次将经过预切割的四氟膜10、碳纸9、封装后的质子交换膜8、四氟膜10、碳纸9通过定位螺丝装置于下模具上实现精确定位，四氟膜垫片厚度约为碳纸厚度的1.2倍，最后将带有定位通孔1的上模具2通过定位螺丝3置于最顶层完成合模，并将此模具置于专用热压设备工作平台上，保持压力在10kg/cm2、时间在1min，热压得到MEA。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于燃料电池膜电极的生产系统，其特征在于，包括定位模具，压力设备，对辊机，热压设备以及质子交换膜膜电极喷涂装置；
所述定位模具由上、下模具构成，上下模具均带有定位装置且上下模具表面平整光滑，依次放置的MEA组件可通过定位装置实现精准定位放置；
所述压力设备用于压合定位模具，经过压合获得三合一的质子交换膜；
所述对辊机用于对三合一的质子交换膜进行封装；
所述热压设备用于对定位模具及其中依次放置的MEA组件进行热压，获得MEA；
所述质子交换膜膜电极喷涂装置用于在质子交换膜上喷涂正负极。
2.如权利要求1所述的适用于燃料电池膜电极的生产系统，其特征在于，所述定位装置由定位螺丝与定位通孔组成，定位螺丝位于定位模具下模具表面，定位通孔为与定位模具上模具中，其位置与数量依据膜电极生产要求确定；
优选的，所述上下模具为金属板，优选为钢板，厚度为0.5-1cm。
3.如权利要求1所述的适用于燃料电池膜电极的生产系统，其特征在于，所述压力设备拉力机、平板硫化机、冲床、液压机中的任意一种。
4.如权利要求1所述的适用于燃料电池膜电极的生产系统，其特征在于，所述热压设备高低温拉力机、平板热压机、热压成型机中的任意一种。
5.权利要求1所述的适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法，其特征在于，包括：
(1)喷涂区域的定位：将聚合物边框材料、质子交换膜、聚合物边框材料依次置于定位模具中配合压力设备，经过压合获得三合一的质子交换膜，三合一的质子交换膜经过质子交换膜膜电极喷涂装置在质子交换膜两面喷涂正负极；
(2)封装处理：将喷涂正负极后的质子交换膜经对辊机挤压获得封装后的质子交换膜；
(3)热压处理：将四氟膜、碳纸、封装后的质子交换膜、四氟膜、碳纸依次放置于定位模具中，合膜经热压设备得到MEA。
6.如权利要求5所述的适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法，其特征在于，所述喷涂区域的定位具体为：在定位模具中通过定位装置依次放置经预处理后的聚合物边框材料、质子交换膜、聚合物边框材料后合膜，合模后将此模具置于压力设备工作平台上，在物理压力的作用下冷压定位得到三合一的质子交换膜，三合一的质子交换膜经过质子交换膜膜电极喷涂装置在质子交换膜两面喷涂正负极；
或，所述封装处理为：将喷涂正负极的质子交换膜水平送入对辊机，经前后胶辊对压挤泡后实现对质子交换膜的封装处理；
或，所述热压处理为：在定位模具中通过定位装置依次放置经预处理后的四氟膜垫片、碳纸、封装后的质子交换膜、四氟膜垫片、碳纸后合模，并将此模具置于专用热压设备工作平台上，热压得到MEA。
7.如权利要求6所述的适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法，其特征在于，冷压定位时，保持压力在2kg/cm2-8kg/cm2、时间在2-10min；
或，对辊机前后胶辊之间压力保持在0.1-1Mpa、温度为80-140℃；
或，热压压力为2kg/cm2-10kg/cm2，热压时间为1-10min；
优选的，热压处理中，四氟膜垫片厚度约为碳纸厚度的0.5-1.2倍。
8.如权利要求6所述的适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法，其特征在于，所述预处理为根据定位装置对MEA组件进行切割开孔处理，以使其均可通过定位装置在定位模具中按照固定位置依次放置。
9.权利要求5-8任一项所述适用于燃料电池膜电极的生产系统的使用方法生产的燃料电池膜电极。
10.权利要求1-4任一项所述适用于燃料电池膜电极的生产系统或权利要求9所述的燃料电池膜电极在燃料电池领域中的应用。
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