一种燃料电池膜电极工业量产生产系统及其生产方法与流程

本发明属于燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池膜电极工业量产生产系统及其生产方法。

背景技术：

目前蓄电池行业如锂电池、铅酸、镍氢、镍镉电池等均因存在较大如环保、安全等方面的隐患，在科技发展的今天已经难以满足人们的要求，开发新型替代产品已经刻不容缓了。燃料电池作为一种在低温条件下，不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧气中的化学能转化为电能的发电装置。被认为是解决能源环境危机的终极方案。

膜电极做为燃料电池的核心部件，是燃料电池内部多相物质传输和电化学反应发生的场所，其由质子交换膜、催化层、气体扩散层组成。其中根据催化层制备工艺的不同，膜电极分为gde（以扩散层为基底）、ccm（以质子膜为基底）以及有序化膜电极等，目前市场上商用的制备膜电极的方法主要是以ccm（以质子膜为基底）为主。ccm法电极的制备方法主要又分为直接涂覆法和转印法两种，其中转印法是将催化剂浆料涂覆到其他基材上，然后通过热压的方式转印到质子交换膜上形成催化层；直接涂覆法是将催化剂用与有机溶剂混合成浆料后，直接涂覆到质子交换膜上形成催化层。

在膜电极中与催化层相邻的扩散层，其主要作用是满足反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流，由于微孔层通常是制备到扩散层上，其与ccm热压到一起时，微孔层与催化层之间存在一个界面，而这个界面上通常会有反应过程中的液态水的滞留，从而影响气体的传输。膜电极做为燃料电池的核心部件，目前主要是以手动线生产为主，具有生产效率低、成本高、产品一致性差等缺点。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种燃料电池膜电极工业量产生产系统及其生产方法的技术方案，可以克服现有生产工艺存在的缺陷，以卷对卷直接涂覆的方式来实现自动化工业量产膜电极，并有效控制涂覆时带来的膜表面溶胀的问题，通过工业量产生产及对生产过程的品质管控，提高产品的一致性和生产效率，降低劳动力，降低生产成本，实现膜电极的商品化、规模化生产。

所述的一种燃料电池膜电极工业量产生产系统，其特征在于包括依次配合设置在同一条线体上的自动放卷机构、阴极涂覆机构、阴极干燥机构、阴极检测机构、自动收卷机构，还包括设置在线体外的阴极制浆机构；

还包括依次配合设置在另一条线体上的阳极自动放卷机构、支撑膜收卷机构、阳极涂覆机构、阳极干燥机构、隔离膜放卷机构、阳极检测机构、自动收卷机构，还包括设置在线体外的阳极制浆机构；

最后包括依次配合设置在单独一条线体上的扩散层放卷机构、扩散层预处理机构、裁切机构，还包括单独设置的热压合机构、封边机构及成品检测机构。

所述的一种燃料电池膜电极工业量产生产系统，其特征在于裁切机构后的同一线体上设置废料自动收卷机构。

所述的一种燃料电池膜电极工业量产生产系统的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在质子交换膜单面涂覆阴极催化剂浆料，经阴极干燥机构烘干后形成阴极催化层()；

2）剥离另一侧支撑膜，把阳极催化剂浆料涂覆到质子交换膜另一侧，经阳极干燥机构烘干后形成阳极催化层，即为ccm组件；

3）接着裁切成片并与经过扩散层预处理机构后的片状扩散层()经过热压合机构进行热压接合，制备成膜电极mea；

4）最后经过封边机构处理，以及成品检测机构得到合格的膜电极mea。

所述的一种燃料电池膜电极工业量产生产系统的生产方法，其特征在于步骤中：

阴极制浆机构前配合设置自动放卷机构，阴极检测机构后配合设置自动收卷机构，质子交换膜以及在一侧附有的支撑膜所构成的整体结构，通过自动放卷机构进入下一个工位；阴极催化剂通过阴极制浆机构制备；制备好的阴极催化剂浆料通过阴极涂覆机构均匀的涂覆与质子交换膜表面，并配有自动化检测设备进行实时监测；质子交换膜表面涂覆完之后经过阴极干燥机构形成阴极催化层()，在阴极干燥机构保持在工艺设定温度下并充惰性气体保护，并通过阴极检测机构对形成的催化层进行质量检测；制备了阴极催化层的质子交换膜通过自动收卷机构进行收卷存储。

所述的一种燃料电池膜电极工业量产生产系统的生产方法，其特征在于步骤中：

阳极自动放卷机构把带有阴极催化层的原料进行自动送料进入阳极涂覆机构，并且在阳极涂覆机构前配合设置支撑膜收卷机构；在阳极催化层涂覆之前，需要把阳极侧的支撑膜剥离，把剥离出的支撑膜通过支撑膜收卷机构进行收卷；在制备阳极催化层时，用真空吸附的方式把需要涂覆的膜区域固定，经过阳极涂覆机构进行涂覆；涂覆完的催化剂经过阳极干燥机构烘干后形成阳极催化层，通过阳极干燥机构保持在工艺设定温度下并充惰性气体保护，完成了质子交换膜两侧电极的组成，即为ccm；两侧催化层完成并经过阳极检测机构后，在进入自动收卷机构之前通过隔离膜放卷机构覆一层隔离膜；涂覆阴阳极两侧催化剂的顺序为首先涂阴极侧，再涂阳极侧。

所述的一种燃料电池膜电极工业量产生产系统的生产方法，其特征在于步骤中：

扩散层先经过预处理机构，形成微孔层；扩散层和ccm通过裁切机构进行裁切成片，并把剩余的余料通过废料自动收卷机构进行收集；裁切好的扩散层与ccm进行堆叠定位，再通过热压合机构进行组合，热压合温度保持在催化层的玻璃化温度以及工艺设定压力下，使ccm与阴阳极两侧扩散层粘接，形成膜电极mea。

上述一种燃料电池膜电极工业量产生产系统及其生产方法，先把阴极催化剂浆料涂覆到质子交换膜一侧，经过烘干、检测后形成阴极催化层，然后转换另一侧再次进行涂覆催化剂，经烘干、检测后形成阳极催化层，接着经过裁切、与扩散层的热合形成mea，最后对mea的边框进行保护封边。本发明既可以很好的节省浆料的用量，又可以更好的实现自动化批量生产，生产工序更简单，生产节拍更高，继而满足未来膜电极的运用需求。

附图说明

图1本发明第一条生产线的系统结构示意图；

图2本发明第二条生产线的系统结构示意图；

图3本发明第三条生产线的系统结构示意图；

图4为本发明生产工艺流程示意图；

图5为本发明的膜电极结构示意图；

图中：1-自动放卷机构、2-阴极制浆机构、3-阴极涂覆机构、4-阴极干燥机构、5-阴极检测机构、6-自动收卷机构、7-阳极自动放卷机构、8-支撑膜收卷机构、9-阳极制浆机构10-阳极涂覆机构、11-阳极干燥机构、12-隔离膜放卷机构、13-阳极检测机构、14-自动收卷机构、15-扩散层放卷机构、16-扩散层预处理机构、17-裁切机构、18-废料自动收卷机构、19-热压合机构、20-封边机构、21-成品检测机构。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图所示，该燃料电池膜电极工业量产生产系统，包括依次配合设置在同一条线体上的自动放卷机构1、阴极涂覆机构3、阴极干燥机构4、阴极检测机构5、自动收卷机构6，还包括设置在线体外的阴极制浆机构2；还包括依次配合设置在另一条线体上的阳极自动放卷机构7、支撑膜收卷机构8、阳极涂覆机构10、阳极干燥机构11、隔离膜放卷机构12、阳极检测机构13、自动收卷机构14，还包括设置在线体外的阳极制浆机构9；最后包括依次配合设置在单独一条线体上的扩散层放卷机构15、扩散层预处理机构16、裁切机构17，还包括单独设置的热压合机构19、封边机构20及成品检测机构21。

进一步，裁切机构17后的同一线体上设置废料自动收卷机构18。

采用上述燃料电池膜电极工业量产生产系统的生产方法，包括以下步骤：

1）在质子交换膜22单面涂覆阴极催化剂浆料，经阴极干燥机构4烘干后形成阴极催化层24；

2）剥离另一侧支撑膜23，把阳极催化剂浆料涂覆到质子交换膜22另一侧，经阳极干燥机构11烘干后形成阳极催化层25，即为ccm27组件；

3）接着裁切成片并与经过扩散层预处理机构16后的片状扩散层26经过热压合机构19进行热压接合，制备成膜电极mea28；

4）最后经过封边机构20处理，以及成品检测机构21得到合格的膜电极mea28。

具体的，在上述步骤1）中：阴极制浆机构2前配合设置自动放卷机构1，阴极检测机构5后配合设置自动收卷机构6，质子交换膜22以及在一侧附有的支撑膜23所构成的整体结构，通过自动放卷机构1进入下一个工位；阴极催化剂通过阴极制浆机构2制备；制备好的阴极催化剂浆料通过阴极涂覆机构3均匀的涂覆与质子交换膜22表面，并配有自动化检测设备进行实时监测；质子交换膜22表面涂覆完之后经过阴极干燥机构4形成阴极催化层(24)，在阴极干燥机构4保持在工艺设定温度下并充惰性气体保护，并通过阴极检测机构5对形成的催化层进行质量检测；制备了阴极催化层24的质子交换膜22通过自动收卷机构6进行收卷存储。

具体的，在上述步骤2中：阳极自动放卷机构7把带有阴极催化层的原料进行自动送料进入阳极涂覆机构10，并且在阳极涂覆机构10前配合设置支撑膜收卷机构8；在阳极催化层25涂覆之前，需要把阳极侧的支撑膜23剥离，把剥离出的支撑膜23通过支撑膜收卷机构8进行收卷；在制备阳极催化层25时，用真空吸附的方式把需要涂覆的膜区域固定，经过阳极涂覆机构10进行涂覆；涂覆完的催化剂经过阳极干燥机构11烘干后形成阳极催化层25，通过阳极干燥机构11保持在工艺设定温度下并充惰性气体保护，完成了质子交换膜22两侧电极的组成，即为ccm27；两侧催化层完成并经过阳极检测机构13后，在进入自动收卷机构14之前通过隔离膜放卷机构12覆一层隔离膜；涂覆阴阳极两侧催化剂的顺序为首先涂阴极侧，再涂阳极侧。

具体的，在上述步骤3）中：扩散层26先经过预处理机构16，形成微孔层；扩散层26和ccm27通过裁切机构17进行裁切成片，并把剩余的余料通过废料自动收卷机构18进行收集；裁切好的扩散层26与ccm27进行堆叠定位，再通过热压合机构19进行组合，热压合温度保持在催化层的玻璃化温度以及工艺设定压力下，使ccm27与阴阳极两侧扩散层26粘接，形成膜电极mea28；为了保护膜电极mea28组件，需要通过封边机构20对整个膜电极mea28组件进行封边；制备完的膜电极28通过自动化检测机构21进行多项质量检测。

本发明具有以下优点：

1.考虑到本身的质子交换膜22有支撑膜23，单面有足够的物理强度，所以直接涂覆不会使质子交换膜22产生很大的变形。

2.把阳极催化层涂覆到质子交换膜22，生产设备简单，效率更高以及所得到的阳极催化层可以做到更薄，性能更好。

3.该方法可以采用卷对卷的方式进行制备膜电极。

4.采用自动化控制ccm生产质量，对涂覆状态的在线监测管控，各项性能指标的检测和数据的追踪，能更加良好的控制产品的质量。

5.自动化控制和机械的精确定位保证产品的一致性。

除上述优选工艺外，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和调整，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。