CN116314982A - 基于转印工艺的质子交换膜燃料电池ccm生产装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置及方法，包括卷材、导向装置、浆料涂布系统和方体转印系统，卷材包括阴极转印基底、阳极转印基底和质子交换膜；导向装置用于将卷材从浆料涂布系统导向方体转印系统；浆料涂布系统用于在阴极转印基底和阳极转印基底上分别涂覆催化剂浆料，形成阴极催化层和阳极催化层，质子交换膜位于阴极催化层和阳极催化层之间；方体转印系统包括相对设置的第一方体转印模块和第二方体转印模块，用于周期性热压卷材，将阴极催化层和阳极催化层间隔转印到质子交换膜上，形成CCM以及留白段。本发明能够实现卷材连续转印的工业化生产，缩短了转印周期，同时能够对卷材中连续两片CCM进行留白。

Description

基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置及方法

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及到一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置及方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种高效发电装置，膜电极CCM（Catalyst coatedmembrane）则是其内部化学能转变为电能的场所。将催化剂附着在质子交换膜上形成CCM是常见的制作膜电极的方式之一，目前制作CCM的工艺包括直涂、喷涂和转印等，每种工艺都具备各自优缺点。通过转印的方式制备CCM是一种相对便捷的工艺，其原理是，质子交换膜燃料电池的催化剂与高分子树脂充分分散后，在一定的温度下达到树脂和膜上高分子的玻璃化转变温度，在一定压力下结合，从而将催化层从转印基底上转移到质子交换膜上。因此在转印过程中，通常需要先将催化剂浆料涂覆到转印基底上，形成催化层，然后经过高温高压、保温保压措施，最终转印到质子交换膜上。

在实际操作时，由于工艺对基本参数的天然要求以及质子交换膜与转印基底的材料特性，工业化连续转印较为困难，容易发生像质子膜溶胀、转印基底与质子交换膜错位、转印不彻底（转印基材上有大面积残留）等问题，导致残次品和浪费。

如专利CN201911303499.2提出一种利用辊式方法进行CCM转印的装置，但是其忽略了转印的基本要求，即高温高压和保温保压措施，其将带有催化层的转印基底与质子交换膜通过具有温度和压力的传动辊后，维持时间虽可通过行程控制，但是无法确保转印过程中的保压时间，如果其通过增加温度和压力企图缩短转印过程中的保压时间，则势必会损伤质子交换膜以及催化层结构，影响性能得不偿失。且在CCM实际转印应用过程中，需要对连续的两片CCM之间进行留白，一方面实现降低催化剂浪费，另一方面降低转印后制作膜电极的漏气/边框膜失效可能性，目前技术也未能充分实现。

目前实验室级别的转印工艺，无论对象是小面积的实验性膜电极或者大面积的电堆级膜电极，大多采用单片制备，具有小批量的局限性，有待进行产业升级。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置及方法，解决现有技术中膜电极难以连续生产以及无法在连续生产中进行留白的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明提供的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置，包括卷材、导向装置、浆料涂布系统和方体转印系统，其中，所述卷材包括阴极转印基底、阳极转印基底和质子交换膜；所述导向装置用于将卷材从浆料涂布系统导向方体转印系统；所述浆料涂布系统用于在阴极转印基底和阳极转印基底上分别涂覆催化剂浆料，形成阴极催化层和阳极催化层，质子交换膜位于阴极催化层和阳极催化层之间；所述方体转印系统包括相对设置的第一方体转印模块和第二方体转印模块，用于周期性热压卷材，将阴极催化层和阳极催化层间隔转印到质子交换膜上，形成CCM以及留白段。

第二方面，本发明提供一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产方法，包括以下步骤：卷材分别放卷，将催化剂浆料涂覆到卷材中的阴极转印基底和阳极转印基底上，形成阴极催化层和阳极催化层；通过方体转印系统，在预设的温度和压力下，周期性将阴极催化层和阳极催化层同时转印到卷材中质子交换膜的两侧，形成CCM以及留白段；卷材分别收卷。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明装置中通过设置方体转印系统，在制备CCM过程中能够充分发挥转印工艺的优点，同时避开传统转印工艺只能进行片材转印的缺点，实现卷材连续转印的工业化生产，大大缩短了转印周期。此外，在CCM实际使用中，需要对卷材中的连续两片CCM进行留白，本发明提供的生产装置和方法既能实现留白功能，降低催化剂用量，后续方便催化剂回收，又能实现连续产业化生产，增强产品一致性。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置的结构示意图；

图2为本发明提供的一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置供料时的结构示意图；

图3为本发明提供的一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置方体转印系统的运动轨迹示意图，其中，A：静止姿态，B：运动姿态，C静止姿态；

图4为本发明提供的一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置方体转印系统中设计参数示意图。其中，

1-第一浆料涂布系统；101-阴极材料注射器，102-第一调节机构，103-第一支撑件；

2-第二浆料涂布系统；201-阳极材料注射器，202-第二调节机构，203-第二支撑件；

3-卷材；301-阴极转印基底，302-阳极转印基底，303-质子交换膜；

4-方体转印系统；41-第一方体转印模块，42-第二方体转印模块；401-方形主体，402-压力传感器；

5-瑕疵检测系统；

601-第一传动辊，602-第二传动辊，603-第三传动辊，604-第四传动辊。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种可连续工业化运行的、基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置及方法，能够协调CCM转印基本要求和连续大规模生产的矛盾。

参见图1，本发明一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置，主要包括放卷装置、第一浆料涂布系统1、第二浆料涂布系统2、卷材3、方体转印系统4、瑕疵检测系统5、导向装置以及收卷装置。放卷装置用于卷材3放卷；卷材3包括阴极转印基底301、阳极转印基底302以及质子交换膜303；第一浆料涂布系统1和第二浆料涂布系统2可各向一块转印基底涂布催化剂浆料，得到阴阳极催化层；方体转印系统4可把阴阳极转印基底上的催化层与质子交换膜热压在一起，实现转印；瑕疵检测系统可对连续转印过程中卷材进行纠偏并且对成品进行良品验证；收卷装置用于卷材收卷。

其中，第一浆料涂布系统1包括阴极材料注射器101、第一调节机构102、第一支撑件103；阴极材料注射器101和第一调节机构102用于在阴极转印基底301上涂覆催化剂浆料，阴极转印基底301穿过第一调节机构102和第一支撑件103之间的空隙，通过第一调节机构102和第一支撑件103配合调节催化剂浆料的涂覆厚度；阴极转印基底301由第一传动辊601和第二传动辊602带动。

第二浆料涂布系统2包括阳极材料注射器201、第二调节机构202、第二支撑件203；阳极材料注射器201和第二调节机构202用于在阳极转印基底302上涂覆催化剂浆料，阳极转印基底302穿过第二调节机构202和第二支撑件203之间的空隙，通过第二调节机构202和第二支撑件203配合调节催化剂浆料的涂覆厚度；阳极转印基底302由第三传动辊603和第四传动辊604带动。

可以理解的是，图1中所示第一传动辊601、第二传动辊602、第三传动辊603和第四传动辊604即为导向装置，其仅是实现本发明目的的一个实施例，本发明中传动辊可以根据情况进行增减，保证能够带动阴极转印基底301、阳极转印基底302以及质子交换膜303同步运动并从起始位置（例如放卷装置或浆料涂布系统）导向至终点位置（如方体转印系统或收卷装置）即可。

优选地，本发明通过链条传动，动力源通过链条带动传动辊转动，本领域技术人员易选具体动力源，在此不做具体限定，能够保证带动卷材3同步运动即可。

本发明中阴极转印基底301、阳极转印基底302和质子交换膜303同步运动，且阴极转印基底301和阳极转印基底302上涂覆的催化剂浆料分别位于质子交换膜303的两侧；沿运行方向，在进入方体转印系统4之前，阴极转印基底301和阳极转印基底302通过传动辊调节至与质子交换膜303相互平行，且间距较小，保证催化剂浆料不与质子交换膜303接触即可，利于下一阶段转印和留白。

优选地，本发明通过调节机构控制催化剂浆料的涂覆厚度，具体是通过调节磨头与转印基底的间距，控制涂覆催化层湿厚。

方体转印系统4包括相对设置的第一方体转印模块41和第二方体转印模块42，阴极转印基底301、阳极转印基底302和质子交换膜303从第一方体转印模块41和第二方体转印模块42之间穿过并分别连接收卷装置。

第一方体转印模块41和第二方体转印模块42均包括方形主体401，方形主体401中沿侧壁在内部均匀布置若干压力传感器402，优选在靠近侧壁中心处安装，利于精确获得压力值。方形主体401中还设置有加热棒，用于实现热压。

优选地，加热棒内嵌到方形主体401中，确保加热顺利进行，具体是嵌入方形主体401的转印段内部，随着方形主体401转动而转动；加热棒可以通过电刷等部件与外部加热线缆相连，实现加热棒旋转过程中外界电流输入。压力传感器随方体转印模块运动，确保压力传感顺利进行。

方形主体401中心通过传动机构连接动力机构，动力机构用于带动传动机构，进而带动第一方体转印模块41和第二方体转印模块42运动，包括上下直线往复运动或转动。

上下直线往复运动时，在卷材运动到设定位置需要转印时，卷材静止，第一方体转印模块41和第二方体转印模块42同时相向运动，对转印段进行保温保压；转印结束后两者分离，同时卷材向收卷方向运行形成留白段。

但上下直线往复运动时，方形主体401离开转印基底，一方面，转印基底极易受热/受静电，反重力吸附到方形主体401上，形成转印轨道方向上的错位；另一方面，由于转印区域轨道方形长度过长，转印基底（301、302）以及质子交换膜303若没有外力压制，极易分开，导致空气进入，影响转印效果和对位精度；因此本发明优选采用第一方体转印模块41和第二方体转印模块42转动的方案，且在转动过程中，方形主体401始终与转印基底相接触，在转印段（长度为图4所示的2l）时能够实现加热加压，在留白段（长度为图4所示的d）不加热加压，仅保持与转印基底接触即可。

优选地，为了更好地保证卷材不错位，同时尽可能地保证留白段的催化剂浆料留在转印基底上，方形主体401上圆形倒角（对应留白段）采用软材质，如橡胶。

本发明动力机构可以采用电机等动力源，来源较为广泛，在此不做具体限定。

优选地，方形主体401的四周有圆形倒角；动力机构通过齿轮传动带动方形主体401转动。在一次转印过程结束后，通过快速转动方体本身，实现连续热压下一个的过程，并且可以根据CCM反应区长度、两片CCM留白区域，控制方体形状参数。

以动力机构通过齿轮传动带动方形主体401转动为例，本发明是将分散好的催化层浆料经两个浆料涂布系统，涂覆到转印基底中，进入转印轨道。在运行过程中，整个系统的卷材主要包括两个催化层转印基底和质子交换膜，由传动辊进行带动并实现纠偏，以确保阴极催化层、阴极催化层的对位。

转印时，方体转印系统4有两个姿态：一是热压姿态，如图1和图3中AC所示，传动辊分别带动阴极转印基底301、阳极转印基底302和质子交换膜303运动到特定位置，第一方体转印模块41和第二方体转印模块42旋转移动至预定位置并对转印提供保温保压，转印过程中，传动辊和卷材保持静止。保温、保压时系统传动链条停止运动，保压压力为0.5 MPa～20MPa，保压时间为30-120s；二是运动姿态，一轮转印结束后，第一方体转印模块41和第二方体转印模块42开始绕内部的齿轮运动，如图2和图3中B所示，此时传动辊的线速度（卷材的行进速度）与方体转印系统的倒角线速度保持一致，以确保两轮转印时的留白（即方形主体401上每个圆形倒角的弧长均等于留白段的长度d）。传动时链条速度为50 mm/s ～1000mm/s。

参见图3，在运动姿态中，第一方体转印模块41做逆时针运动，第二方体转印模块42做顺时针运动，从静止姿态A到运动姿态B，最后恢复成静止姿态C记做一个运行周期，在该周期内，从静止姿态A到运动姿态B，第一方体转印模块41和第二方体转印模块42均是自转加抬升（相对远离质子交换膜3）；从运动姿态B到静止姿态C，第一方体转印模块41和第二方体转印模块42均是自转加下落，综上，方形主体中心点随时间变化的运动轨迹为椭圆形。

本领域技术人员易知选用现有传动装置实现椭圆形轨迹运动方式，例如凸轮配合齿轮或者带有偏心轮的多种机构；具体传动装置的结构可根据实际需求进行适应调整，在此不作限定。

参见图4，方形主体401倒角尺寸的选择、同留白长度d、产品长度、方体有效直径应关联考虑；运动过程中，方形主体401绕自身中心齿轮转动，并受力向两侧移动。方形主体401的转动线速度为：

其中：

为传动时链条速度（即为阴极转印基底301、阳极转印基底302以及质子交换膜303的运行速度）；

为转印长度的一半；

为当前周期移动时间；

为倒角半径。

在转印全程中，由瑕疵检测系统提供视觉检测和位置纠偏；例如瑕疵检测系统中包括视觉设备，视觉设备发现对齐精度有问题后，传动辊对应做出姿态调整，实现纠偏，确保良品率。

在转印结束后，留白区域的催化剂浆料仍然留存在转印基底中，后续可通过有机溶剂，如乙醇等，清洗残余催化剂，然后高温蒸发有机溶剂，达到铂回收，进行重新利用，大大降低成本，增加生产效率。

本发明一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产方法，包括如下步骤：

1、将催化剂浆料涂覆到阴极转印基底和阳极转印基底上，形成阴极催化层和阳极催化层；

2、利用本发明特有的方体转印系统，在预设的温度、压力下，把转印基底上的催化层同时转印到质子交换膜上；

3、瑕疵检测与收卷。

优选地，步骤1中，催化剂浆料是将碳载铂、电解质溶液（或Nafion树脂）、有机溶剂（异丙醇或叔丁醇）、去离子水混合，并通过球磨机搅拌或高速分散机分散均匀制得，所得浆料应按一定范围内固含量配置，以确保其具备一定黏度，满足涂布需求。

进一步优选地，所得浆料的固含量应保持在8%-16%范围内，以确保其具备一定黏度，不会太稀而难以控制，或太浓稠而失去流变性，满足涂布要求。

优选地，步骤1中，阴极转印基底和阳极转印基底为耐高温的PTFE膜或PTFE纺织增强薄膜。

优选地，步骤2中，转印时利用方体转印系统内置加热棒和压力传感器，对质子交换膜和阴阳极催化层进行高温、高压处理，实现转印。其中方体转印主体设计应严格保证倒角包络面到方体中心距离、根据产品长度和留白确定方体尺寸。

优选地，步骤2中，转印时，方体转印模块旋转移动至预定位置，保温、保压时系统传动链条停止运动，保压压力为0.5 MPa～20MPa，保压时间为30-120s；传动时链条速度为50 mm/s ～1000mm/s。供料时，方体转印模块分离抬高，与此同时，链条快速移动使阴阳极转印基底、质子交换膜至下次转印位置。

通过本发明装置和方法制备CCM能够充分发挥转印工艺的优点，同时避开传统转印工艺只能进行片材转印的缺点，实现卷材连续转印的工业化生产，大大缩短了转印周期。此外，在CCM实际使用中，需要对卷材中的连续两片CCM进行留白，本发明提供的生产装置和方法既能实现留白功能，降低催化剂用量，后续方便催化剂回收，又能实现连续产业化生产，增强产品一致性。

以下通过具体实施例进一步说明：

实施例1

一种基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置及方法，步骤如下：

为生产型号为200mm*100mm，阴极湿厚为100μm，阳极湿厚为50μm的CCM。

（1）使用10g Pt/C催化剂与30g去离子水充分混合后（防止催化剂与有机溶剂结合后失效），和2g Nafion树脂混合，加入47g叔丁醇后利用球磨方法分散均匀。

（2）调节第一浆料涂布系统1磨头与转印基底距离至100μm；调节第二浆料涂布系统2磨头与转印基底距离至50μm。调节好质子交换膜位置并使所有卷材没有褶皱。调节传动辊线速度为10mm/s，将分散好的浆料用注射器均匀打到磨头上，进行涂布。

（3）如图4所示，使用尺寸为转印长度200mm，留白长度为100mm的转印方体，调节方体温度至155℃，预设方体转印时压力为1MPa、时间为2min。

（4）进行转印。

本发明一种基于转印工艺的CCM生产装置及方法，其中具体的方法为：1、将催化剂浆料涂覆到转印基底上，形成阴极催化层和阳极催化层；2、利用本发明特有的装置，在预设的温度、压力下，把转印基底上的催化层同时转印到质子交换膜上；3、瑕疵检测与收卷。本发明装置主要包括：浆料涂布系统、方体转印系统以及瑕疵检测系统。通过本发明装置，可严格实现CCM在最佳转印条件下的连续生产，效率高且成品性能强。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置，其特征在于，包括卷材、导向装置、浆料涂布系统和方体转印系统，其中，

所述卷材包括阴极转印基底、阳极转印基底和质子交换膜；

所述导向装置用于将卷材从浆料涂布系统导向方体转印系统；

所述浆料涂布系统用于在阴极转印基底和阳极转印基底上分别涂覆催化剂浆料，形成阴极催化层和阳极催化层，质子交换膜位于阴极催化层和阳极催化层之间；

所述方体转印系统包括相对设置的第一方体转印模块和第二方体转印模块，用于周期性热压卷材，将阴极催化层和阳极催化层间隔转印到质子交换膜上，形成CCM以及留白段。

2.根据权利要求1所述的基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置，其特征在于，所述浆料涂布系统为两个。

3.根据权利要求1所述的基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置，其特征在于，所述阴极转印基底、阳极转印基底以及质子交换膜始终同步运动。

4.根据权利要求1所述的基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置，其特征在于，第一方体转印模块和第二方体转印模块均包括方形主体，方形主体中设置有加热棒和压力传感器。

5.根据权利要求4所述的基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置，其特征在于，方形主体通过传动机构连接动力机构，动力机构用于通过传动机构带动方形主体进行上下直线往复运动或上下转动。

6.根据权利要求5所述的基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置，其特征在于，上下转动时，方形主体中心点随时间变化的运动轨迹为椭圆形；方形主体的四角均为圆形倒角；圆形倒角的弧长等于留白段的长度。

7.根据权利要求1所述的基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产装置，其特征在于，还包括放卷装置、收卷装置、催化剂回收装置和瑕疵检测系统，

所述放卷装置用于卷材放卷；所述收卷装置用于将转印结束的卷材分别进行收卷；

所述催化剂回收装置用于在收卷前，将阴极转印基底和阳极转印基底上未转印的催化剂浆料进行回收；所述瑕疵检测系统用于视觉检测和位置纠偏。

8.利用权利要求1-7任一项所述装置进行的基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

卷材分别放卷，将催化剂浆料涂覆到卷材中的阴极转印基底和阳极转印基底上，形成阴极催化层和阳极催化层；

通过方体转印系统，在预设的温度和压力下，周期性将阴极催化层和阳极催化层同时转印到卷材中质子交换膜的两侧，形成CCM以及留白段；

卷材分别收卷。

9.根据权利要求8所述的基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产方法，其特征在于，阴极转印基底和阳极转印基底各自独立选自耐高温的PTFE膜或PTFE纺织增强薄膜；催化剂浆料的固含量在8%～16%。

10. 根据权利要求8所述的基于转印工艺的质子交换膜燃料电池CCM生产方法，其特征在于，转印时，温度为140～170℃；压力为0.5 MPa～20MPa，保压时间为30～120s。

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