CN117936809A - 一种燃料电池膜电极的制造设备以及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池膜电极的制造设备以及制造方法，制造设备包括质子膜传送机构、涂覆系统、支撑膜传送机构、夹持传送机构，涂覆系统位于质子膜传送机构上方，支撑膜传送机构位于质子膜传送机构下方且位于涂覆系统的涂覆路径下方，夹持传送机构用于对质子膜传送机构上所传送的质子膜的宽度方向两侧下拉，进而使质子膜的非涂覆面与支撑膜传送机构中的支撑膜上表面贴合。对质子膜的传送的同时对质子膜的两侧施加斜下方的拉扯力，支撑膜对质子膜形成支撑作用，使质子膜被涂覆表面处于变形平整状态，进而在涂覆浆料时，溶剂接触不会再使质子膜产生进一步的溶胀变形。

Description

一种燃料电池膜电极的制造设备以及制造方法

技术领域

本发明涉及燃料电池膜电极制造设备领域，具体涉及一种燃料电池膜电极的制造设备以及制造方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应的方式直接转换为电能的能量转化装置。燃料电池具有能量转化效率高、无废气排放等特点，被认为是解决能源危机和环境污染的最具前景的方案之一，特别是交通运输如汽车、船舶和备用电源等方面极具应用前景。其中膜电极是质子交换膜燃料电池中极为重要的组件，其由质子交换膜、催化层以及扩散层组成，普通的制备工艺是在质子交换膜的两面均涂布上催化剂浆料，形成两面的催化层，之后将扩散层分别与两催化层贴合后，再通过热压等工艺实现“三明治”样式的膜电极。

在催化剂浆料涂布至质子交换膜两面的连续涂覆工艺中，大多采用静电喷涂、狭缝涂布、流沿、印刷等，但是由于质子膜表面受催化剂浆料中溶剂影响，容易出现溶剂溶胀现象，尤其是在质子膜的连续涂布产线中，由于缺少约束，质子交换膜在涂布时发生溶胀变形的问题更加严重，因此导致膜电极的生产良率也不高。

目前市场上已出现了真空吸附的技术来对质子交换膜涂布时进行约束，但是，真空吸附的吸附孔对质子膜的吸附力容易对浆料的涂覆产生均一性影响，即在吸附孔处与无吸附力的平面处，由于涂覆浆料受力不均匀而导致质子膜整体涂覆面的不均匀，吸附还会增加摩擦力，影响进给。

此外，还有一种方式是在质子膜的非涂覆面黏贴保护背膜，由于保护背膜不易变形，且其通过黏胶层贴于质子膜的背面，因此保护背膜的存在可以对质子膜的变形起到一定制约作用，进而有效减少溶胀现象，但是此种方式需要增加去除保护背膜的工艺步骤，增加了操作复杂度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种燃料电池膜电极的制造设备，实现涂覆过程中对质子膜的约束，有效减少溶胀现象，同时保证质子膜表面涂覆均匀性，约束不影响质子膜的传送，涂覆完成后自动解除约束，不影响质子膜的传送进给。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种燃料电池膜电极的制造设备，包括质子膜传送机构、涂覆系统、支撑膜传送机构、夹持传送机构，涂覆系统位于质子膜传送机构上方，支撑膜传送机构位于质子膜传送机构下方且位于涂覆系统的涂覆路径下方，夹持传送机构用于对质子膜传送机构上所传送的质子膜的宽度方向两侧下拉，质子膜的非涂覆面在夹持传送机构下拉作用下与支撑膜传送机构中的支撑膜上表面贴合。

进一步的，所述夹持传送机构包括至少两个分别位于支撑膜传送机构两侧的夹持传送组件，所述夹持传送组件包括上驱动辊组、下驱动辊组和驱动件，上驱动辊组和下驱动辊组相互配合夹持并下拉质子膜的侧边，驱动件驱使上驱动辊组和/或下驱动辊组转动，进而使夹持传送机构与支撑膜传送机构同步同向传送质子膜。

进一步的，所述支撑膜传送机构两侧皆沿质子膜传送方向设置至少两个夹持传送组件，对质子膜形成多段式夹持，以相对的两个夹持传送组件为一组，每两组夹持传动组件之间设有用于修正质子膜传送方向的纠偏辊。

进一步的，所述上驱动辊组的轴向和所述下驱动辊组的轴向皆与所述支撑膜的上表面倾斜，使上驱动辊组和下驱动辊组对质子膜实现斜下方的拉扯力和传送力。

进一步的，所述驱动件为传送履带机构，所述传送履带机构的传送履带与所述下驱动辊组接触，使传送履带的传送过程带动下驱动辊组的转动。

进一步的，所述支撑膜传送机构包括两个驱动轮以及绕行在两个驱动轮上的呈封闭的环形的支撑膜，对支撑膜形成循环式传送，所述支撑膜位于质子膜传送机构所传送的质子膜的正下方。

进一步的，所述质子膜传送机构包括放卷辊、收卷辊、调节辊和多个纠偏辊，所述质子膜的两端分别绕在放卷辊和收卷辊上，调节辊和多个纠偏辊设于放卷辊和收卷辊之间，调节辊和多个纠偏辊配合对质子膜进行张紧和纠偏。

进一步的，还包括PLC控制系统，所述质子膜传送机构上方还设有烘箱和裁切机构，涂覆系统、烘箱和裁切机构沿质子膜的传送方向依次设置，裁切机构对质子膜宽度方向的两侧边进行裁切，所述质子膜传送机构、所述涂覆系统、所述支撑膜传送机构、所述夹持传送机构皆与PLC控制系统形成电路信号连接。

本发明提供的燃料电池膜电极的制造设备具有以下优点：

1、通过夹持传送机构，可以在实现对质子膜的传送的同时对质子膜的两侧施加斜下方的拉扯力，进而使质子膜的非涂覆面与支撑膜传送机构中的支撑膜上表面贴合，使质子膜被涂覆表面处于变形平整状态，进而在涂覆浆料时，溶剂接触不会再使质子膜产生进一步的溶胀变形。

2、通过循环式支撑膜传送机构，在夹持传送机构的作用下，质子膜的非涂覆面与支撑膜上表面贴合，支撑膜以此形成质子膜的“保护背膜”，支撑膜在循环式支撑膜传送机构作用下与质子膜保持同步同速传送，并在质子膜完成涂覆送入烘箱时结束支撑作用，无需多余操作即完成了支撑膜与质子膜的分离，既有效解决溶胀现象，也具有操作简便快速的优点。

4、支撑膜采用了循环传送式，在可以保证对质子膜同步同速的传送支撑的同时，相较现有技术直接采用保护背膜黏胶贴合的方式，本发明无须采用与质子膜相同长度的膜即可以实现对整卷质子膜涂覆过程中的完全支撑，大大缩减了成本。

3、设有激光裁切机构，针对质子膜的涂覆工艺，对质子膜两侧边被夹持传送机构夹持的部分进行裁切，保证成品完整性，比起采用裁切刀具裁切，激光裁切无接刀痕迹，裁切精度高。

5、将夹持传送机构设计为多段式，每两段之间均加设纠偏辊，可以有效保证质子膜整体在连续传送过程中不会出现偏移现象，避免影响夹持作用以及后续激光切割的浪费。

本发明还提供一种燃料电池膜电极的制造方法，具体包括以下步骤：

S1、将质子膜卷材安装于放卷辊上，人工对质子膜卷材的起始端牵引，质子膜依次张紧安装于各纠偏辊和调节辊上，并将质子膜的宽度方向两侧穿插入夹持传送机构，夹持传送机构下拉质子膜的宽度方向两侧的同时，使得质子膜的非涂覆面与支撑膜传送机构中的支撑膜上表面贴合，最后将质子膜在收卷辊上收卷，形成质子膜的传送路径；

S2、控制质子膜传送机构、支撑膜传送机构以及夹持传送机构同步同速传动；

S3、所述质子膜依次经过涂覆系统进行浆料的涂覆和烘箱的烘干后，裁切机构对所述质子膜的两侧边进行裁切；

S4、完成步骤S3的剩余质子膜在收卷辊上被收卷。

进一步的，步骤S3中所采用的裁切机构为激光裁切机构，其激光的功率≥50W且小于等于80W。

本发明还提供一种燃料电池膜电极的制造方法，所述膜电极的质子膜在涂覆催化剂浆料的传送过程中，对质子膜宽度方向的两侧边同时施加相等的拉扯力，与此同时，采用与质子膜同步同向传送的支撑膜，所述质子膜在拉扯力作用下，其非涂覆面可与支撑膜贴合成组。

本发明提供的燃料电池膜电极的制造方法具有以下有益效果：

膜电极的质子膜在涂覆催化剂浆料的传送过程中，夹持传送机构对质子膜宽度方向的两侧边同时施加拉扯力，与此同时，质子膜在夹持传送机构拉扯力作用下，其非涂覆面与支撑膜贴合。采用两侧施加拉扯力，并结合传送式的支撑膜在质子膜非涂覆面形成“保护背膜”的方式，对质子膜的涂覆过程形成双重约束作用，从而可以有效降低质子膜连续涂覆过程中的溶胀现象，并且不论是两侧拉扯力作用，还是支撑膜的支撑作用都可以在不影响整体连续传送的前提下实现快速拆卸，对质子膜表面涂覆均匀性进行调试时，操作更加智能简便。

附图说明

图1是本发明实施例的燃料电池膜电极的制造设备的整体示意图；

图2是图1的燃料电池膜电极的制造设备的局部俯视图，示出了夹持传送机构与纠偏辊的相对位置；

图3是夹持传送机构、涂覆系统和支撑膜传送机构的相对位置示意图；

图4是图3中各机构的另一角度视图。

图5是图4中A处的放大图。

图中：11、放卷辊；12、收卷辊；13、纠偏辊；14、调节辊；15、质子膜；2、涂覆系统；3、烘箱；4、支撑膜传送机构；41、驱动轮；42、支撑膜；5、激光裁切机构；6、夹持传送组件；61、上驱动辊组；62、下驱动辊组；63、传送履带机构。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图5所示，本实施例揭示一种燃料电池膜电极的制造设备，包括质子膜传送机构、涂覆系统2、支撑膜传送机构4、夹持传送机构，涂覆系统2位于质子膜传送机构上方(涂覆系统2包括但不限于静电喷涂、狭缝涂布、刮刀涂布等机构)，支撑膜传送机构4位于质子膜传送机构下方且位于涂覆系统2的涂覆路径下方；沿质子膜15传送方向，质子膜传送机构、支撑膜传送机构4、夹持传送机构对质子膜15进行同步传动，夹持传送机构对质子膜传送机构上所传送的质子膜15的宽度方向两侧下拉的同时，使质子膜15的非涂覆面与支撑膜传送机构4中的支撑膜42上表面贴合。采用该设备，膜电极的质子膜15在涂覆催化剂浆料的传送过程中，夹持传送机构对质子膜15宽度方向的两侧边同时施加相等的拉扯力，与此同时，采用与质子膜15同步同向传送的支撑膜42，质子膜15在夹持传送机构拉扯力作用下，其非涂覆面与支撑膜42贴合，实现涂覆过程中对质子膜15的约束，有效减少溶胀现象，同时保证质子膜15表面涂覆均匀性。

夹持传送机构包括至少两个分别位于支撑膜传送机构4两侧的夹持传送组件6，夹持传送组件6包括上驱动辊组61(由多个长驱动辊排成一排)、下驱动辊组62(由多个下驱动辊排成一排)和驱动件，上驱动辊组61和下驱动辊组62相互配合夹持并下拉质子膜15的侧边，也就是说，夹持传送组件6的上驱动辊组61和下驱动辊组62之间的啮合点低于此状态下质子膜15平面，以使夹持传送组件6对质子膜15可产生向下方的拉扯力。驱动件驱使上驱动辊组61和/或下驱动辊组62转动，进而使夹持传送机构与支撑膜传送机构4同步同向传送质子膜15。

本实施例所述驱动件为传送履带机构63，传送履带机构63的传送履带与下驱动辊组62接触，使传送履带的传送过程带动下驱动辊组62的转动。在其他实施例中，驱动件也可以采用其他机构，例如皮带-滚轮传送机构，皮带与下驱动辊组62接触；再比如，还可以为传送链机构，传送链机构带动上驱动辊组61或下驱动辊组62转动。

上驱动辊组61的轴向和下驱动辊组62的轴向皆与支撑膜42的上表面倾斜，使被夹持的质子膜15的侧边与支撑膜42的上表面形成倾斜角，从而将质子膜15贴合在支撑膜42的上表面。倾斜角优选为20°至40°，进一步优选35°，保证在对质子膜15产生向下拉扯力的同时，由于上驱动辊组61、下驱动辊组62与质子膜15的同步同向传送作用下，可以使质子膜15不被向下拉扯性摩擦力影响整体的传送方向。在其他实施例中，上驱动辊组61的轴向和下驱动辊组62也可以与支撑膜42的上表面平行且低于支撑膜42的上表面。在其他实施例中，夹持传送组件6也可以采用其他机构。

支撑膜传送机构4包括两个驱动轮41以及绕行在两个驱动轮41上的呈封闭的环形的支撑膜42，对支撑膜42形成循环式传送，支撑膜42位于质子膜传送机构所传送的质子膜15的正下方。

质子膜传送机构包括放卷辊11、收卷辊12、调节辊14和多个纠偏辊13，质子膜15的两端分别绕在放卷辊11和收卷辊12上，调节辊14和多个纠偏辊13设于放卷辊11和收卷辊12之间，调节辊14和多个纠偏辊13配合对质子膜15进行张紧和纠偏。可以在纠偏辊13的轴向两端设置挡板，两个挡板之间的间距等于质子膜15的宽度，挡板限制质子膜15沿宽度方向偏移，从而达到纠偏目的。纠偏辊13设于质子膜15上方和/或下方，调节辊14设于质子膜15上方和/或下方，调节辊14高度可调以调节张紧度。图1中，纠偏辊13设于质子膜15上方，调节辊14设于质子膜15下方，在其他实施例中，也可以将部分或全部纠偏辊13设于质子膜15下方，调节辊14也可以设置在质子膜15上方。

本实施例中，夹持传送机构穿质子膜传动机构全线(放卷辊至收卷辊之间全面延伸)。

支撑膜传送机构4两侧可以仅设置一个夹持传送组件6，但长度较长，设计难度大，且不便安装。如图2，本实施例中，夹持传送机构包括多个夹持传送组件6，支撑膜传送机构4两侧(也就是宽度方向的每一侧)皆沿质子膜15传送方向设置至少两个夹持传送组件6，对质子膜15形成多段式夹持，降低夹持传送机构的设计难度，保证对质子膜15传送的稳定性，每两段之间(以相对的两个夹持传送组件6为一组，每两组夹持传动组件之间)设有用于修正质子膜15传送方向的纠偏辊13，避免质子膜15整体在连续传送过程中出现偏移现象，进而影响夹持作用以及后续激光切割的浪费。

质子膜传送机构上方还设有烘箱3和裁切机构，涂覆系统2、烘箱3和裁切机构沿质子膜15的传送方向依次设置，裁切机构对质子膜15宽度方向的两侧边进行裁切。裁切机构优选为激光裁切机构5，裁切精度高，比起采用裁切刀，无分段裁切的接刀痕迹。

该燃料电池膜电极的制造设备还包括机架座、PLC控制系统、伺服电机等，质子膜传送机构、涂覆系统2、支撑膜传送机构4、夹持传送机构、伺服电机等皆与PLC控制系统形成电路信号连接，以实现产线中各工序的智能化控制操作。

本实施例还提供一种燃料电池膜电极的制造方法，包括以下步骤：

S1、将质子膜15卷材安装于放卷辊11上，人工对质子膜15卷材的起始端牵引，质子膜15依次张紧安装于各纠偏辊13和调节辊14上，并将质子膜15的宽度方向两侧穿插入夹持传送机构，夹持传送机构下拉质子膜15的宽度方向两侧的同时，使得质子膜15的非涂覆面与支撑膜传送机构4中的支撑膜42上表面贴合，最后将质子膜15在收卷辊12上收卷，形成质子膜15的传送路径；

S2、控制质子膜传送机构、支撑膜传送机构4以及夹持传送机构同步同速传动；

S3、所述质子膜15依次经过涂覆系统2进行浆料的涂覆和烘箱3的烘干后，裁切机构对所述质子膜15的两侧边进行裁切；

S4、完成步骤S3的剩余质子膜15在收卷辊12上被收卷。

优选的，步骤S3中所采用的裁切机构为激光裁切机构5，其激光的功率≥50W且小于等于80W。

本实施例还提供一种燃料电池膜电极的制造方法，所述膜电极的质子膜在涂覆催化剂浆料的传送过程中，对质子膜宽度方向的两侧边同时施加相等的拉扯力，与此同时，采用与质子膜同步同向传送的支撑膜，所述质子膜在拉扯力作用下，其非涂覆面可与支撑膜贴合成组。

以上所述，实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，因此本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极的制造设备，其特征在于：包括质子膜传送机构、涂覆系统、支撑膜传送机构、夹持传送机构，涂覆系统位于质子膜传送机构上方，支撑膜传送机构位于质子膜传送机构下方且位于涂覆系统的涂覆路径下方，夹持传送机构用于对质子膜传送机构上所传送的质子膜的宽度方向两侧下拉，质子膜的非涂覆面在夹持传送机构下拉作用下与支撑膜传送机构中的支撑膜上表面贴合。

2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制造设备，其特征在于：所述夹持传送机构包括至少两个分别位于支撑膜传送机构两侧的夹持传送组件，所述夹持传送组件包括上驱动辊组、下驱动辊组和驱动件，上驱动辊组和下驱动辊组相互配合夹持并下拉质子膜的侧边，驱动件驱使上驱动辊组和/或下驱动辊组转动，进而使夹持传送机构与支撑膜传送机构同步同向传送质子膜。

3.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极的制造设备，其特征在于：所述支撑膜传送机构两侧皆沿质子膜传送方向设置至少两个夹持传送组件，对质子膜形成多段式夹持，以相对的两个夹持传送组件为一组，每两组夹持传动组件之间设有用于修正质子膜传送方向的纠偏辊。

4.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极的制造设备，其特征在于：所述上驱动辊组的轴向和所述下驱动辊组的轴向皆与所述支撑膜的上表面倾斜，使上驱动辊组和下驱动辊组对质子膜实现斜下方的拉扯力和传送力。

5.根据权利要求2所述的燃料电池膜电极的制造设备，其特征在于：所述驱动件为传送履带机构，所述传送履带机构的传送履带与所述下驱动辊组接触，使传送履带的传送过程带动下驱动辊组的转动。

6.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制造设备，其特征在于：所述支撑膜传送机构包括两个驱动轮以及绕行在两个驱动轮上的呈封闭的环形的支撑膜，对支撑膜形成循环式传送，所述支撑膜位于质子膜传送机构所传送的质子膜的正下方。

7.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极的制造设备，其特征在于：还包括PLC控制系统，所述质子膜传送机构上方还设有烘箱和激光裁切机构，涂覆系统、烘箱和激光裁切机构沿质子膜的传送方向依次设置，激光裁切机构对质子膜宽度方向的两侧边进行裁切，所述质子膜传送机构、所述涂覆系统、所述支撑膜传送机构、所述夹持传送机构、所述烘箱和所述激光裁切机构皆与PLC控制系统形成电路信号连接。

8.一种燃料电池膜电极的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将质子膜卷材安装于放卷辊上，人工对质子膜卷材的起始端牵引，质子膜依次张紧安装于各纠偏辊和调节辊上，并将质子膜的宽度方向两侧穿插入夹持传送机构，夹持传送机构下拉质子膜的宽度方向两侧的同时，使得质子膜的非涂覆面与支撑膜传送机构中的支撑膜上表面贴合，最后将质子膜在收卷辊上收卷，形成质子膜的传送路径；

S2、控制质子膜传送机构、支撑膜传送机构以及夹持传送机构同步同速传动；

S3、所述质子膜依次经过涂覆系统进行浆料的涂覆和烘箱的烘干后，裁切机构对所述质子膜的两侧边进行裁切；

S4、完成步骤S3的剩余质子膜在收卷辊上被收卷。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤S3中所采用的裁切机构为激光裁切机构，其激光的功率≥50W且小于等于80W。

10.一种燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述膜电极的质子膜在涂覆催化剂浆料的传送过程中，对质子膜宽度方向的两侧边同时施加相等的拉扯力，与此同时，采用与质子膜同步同向传送的支撑膜，所述质子膜在拉扯力作用下，其非涂覆面可与支撑膜贴合成组。