氢燃料电池CCM膜电极的双辊转印涂布方法与流程

本发明涉及一种氢燃料电池ccm（catalystcoatedmembrane）膜电极的双辊转印涂布方法及其设备。

技术背景

在对氢燃料电池质子交换膜的双面涂布催化层时，由于大多数催化层采用的溶剂是醇类物质，如采用甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丙醇或丙三醇等，但是，目前采用的质子交换膜多为全氟磺酸膜，这样，在质子交换膜上涂布催化层时，由于醇类溶剂的存在，会使质子交换膜产生溶胀，而影响质子交换膜的质量。为了解决上述溶胀问题，人们目前采用两种不同的涂布方法，一是支撑膜涂布法，其做法是先在质子交换膜的一面（a面）涂上第一催化层，将第一催化层烘干，再在第一催化层上贴上支撑层，揭去底膜，在质子交换膜的另一面（b面）涂上第二催化层，将第二催化层烘干，揭去支撑层形成ccm膜电极，收卷完成，此类做法可见中国专利文献cn1084481139a；二是转印法，转印法又分为两种，第一种是单面转印法，具体做法是在质子交换膜的一面（a面）涂上第一催化层，同时在一离型纸上涂布第二催化层，分别将第一催化层和第二催化层烘干，再将第二催化层热转印到已揭去底膜的质子交换膜的另一面（b面）上，揭去离型纸形成ccm膜电极，收卷完成，此类做法见中国专利文献cn106784944a；第二种是双面转印法，具体做法是将第一催化层涂布在第一离型纸上，第二催化层涂布在第二离型纸上，分别将第一催化层和第二催化层干燥，然后将第一催化层和第二催化层分别复合在质子交换膜的两面上，然后，揭去第一离型纸和第二离型纸形成ccm膜电极，收卷完成，此类做法见中国专利文献cn109088073a。

上述三种方式中，无论是揭去保护膜或离型纸都会或多或少的带去部分催化层，或者转印不完全，造成催化层表面形貌不完整，催化层厚度分布不均匀的问题，这是不允许的。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明向社会提供一种在转移之前可将催化层干燥，转移时不会带走催化层的氢燃料电池质子交换膜的双辊转印涂布方法及其设备。

本发明的技术方案是：提供一种氢燃料电池ccm膜电极的双辊转印涂布方法，所采用的质子交换膜具有两面，其中一面上贴有保护膜称为b面，另一面未贴保护膜称为a面，包括如下步骤：

s1、在设置于质子交换膜a面一侧的第一转移辊上涂布第一催化层，第一转移辊内设有第一加热源，并通过第一转移辊采用第一预定温度加热，至少挥发掉第一催化层中的醇类溶剂；

s2、在设置于质子交换膜b面一侧的第一压合辊的配合下，所述第一转移辊将被烘烤过的第一催化层转移至质子交换膜的a面；

s3、揭去质子交换膜b面上的保护膜；

s4、在设置于质子交换膜b面一侧的第二转移辊上涂布第二催化层，第二转移辊内设有第二加热源，并通过第二转移辊采用第二预定温度加热，至少挥发掉第二催化层中的醇类溶剂；

s5、在设置于质子交换膜a面一侧的第二压合辊的配合下，所述第二转移辊将被烘烤过的第二催化层转移至质子交换膜的b面得到ccm膜电极。

作为对本发明的改进，在所述第s2步之后，还存在s21、对第一催化层采用第四预定温度进一步烘烤。

作为对本发明的改进，在所述第s5步之后，还存在s6、对ccm膜电极采用第三预定温度进一步烘烤。

作为对本发明的改进，在所述转移辊的外表面上涂有一层离型层。

作为对本发明的改进，所述离型层是聚四氟乙烯离型层。

作为对本发明的改进，所述第一预定温度和所述二预定温度在80摄氏度-200摄氏度之间选择。

本发明还提供一种氢燃料电池ccm膜电极的双辊转印涂布设备，适合于卷对卷的涂布，包括：

放卷机构，用于放出质子交换膜，其中质子交换膜具有两面，其中一面上贴有保护膜称为b面，另一面未贴保护膜称为a面；

第一涂布头，用于给第一转移辊涂布第一催化层；

第一转移辊，设置于质子交换膜的a面一侧，在所述第一转移辊内设有加热源，所述第一转移辊采用第一预定温度对所述第一催化层加热，并至少挥发掉第一催化层中的醇类溶剂；

第一压合辊，位于质子交换膜的b面一侧，与第一转移辊相对设置，配合所述第一转移辊将被烘烤过的第一催化层转移至质子交换膜的a面；

保护膜收卷机构，用于收集从质子交换膜的b面被剥离出的保护膜；

第二涂布头，用于给第二转移辊涂布第二催化层；

第二转移辊，设置于质子交换膜的b面一侧，在所述第二转移辊内设有加热源，所述第二转移辊采用第二预定温度对所述第二催化层加热，并至少挥发掉第二催化层中的醇类溶剂；

第二压合辊，位于质子交换膜的a面一侧，与第二转移辊相对设置，配合所述第二转移辊将被烘烤过的第二催化层转移至质子交换膜的b面，得到ccm膜电极；

收卷机构，对ccm膜电极进行收卷。

作为对本发明的改进，本发明还包括第一烘烤箱，采用第四预定温度对第一催化层进一步进行烘烤。

作为对本发明的改进，本发明还包括第二烘烤箱，所述第二烘烤箱对ccm膜电极采用第三预定温度进一步烘烤。

作为对本发明的改进，在第一转移辊的外表面上涂有第一离型层，在所述转移辊的外表面上涂有第二离型层。

本发明由于采用了燃料电池膜电极的催化层通过涂布头直接涂敷于转移辊，转移辊直接加热，通过转移辊直接将加热干燥过的催化层通过压合辊直接转移至质子交换膜上的结构，不需另外的转移离型纸来转印，可以克服在揭去离型纸时，离型纸会带去部分催化层，造成催化层表面形貌不完整，催化层厚度分布不均匀的问题；另外，通过转移辊直接加热，在温度和时间调整合适的情况下，可以将催化层直接烘干，如此，还可以省去烘烤箱，可以节约设备成本，节省生产工序，降低ccm膜电极的制造成本。

附图说明

图1是本发明的方法的一种实施例的方框结构示意图。

图2是本发明的设备的一种实施例的结构示意图。

图3是图2的另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

请参见图1，图1揭示的是一种氢燃料电池ccm膜电极的双辊转印涂布方法，本发明中，所采用的质子交换膜具有两面，其中一面上贴有保护膜称为b面，另一面未贴保护膜称为a面，包括如下步骤：

s1、在设置于质子交换膜a面一侧的第一转移辊上涂布第一催化层，第一转移辊内设有第一加热源，并通过第一转移辊采用第一预定温度加热，至少挥发掉第一催化层中的醇类溶剂；第一催化层可以是以pt/c为主要成份的，溶剂为醇类物质的催化层，所述醇类物质可以是甲醇、乙醇、丙醇及异丙醇中的一种或几种；所述第一预定温度可以在70摄氏度至150度之间选择，具体温度的选择依据第一催化层的成份而定；

本发明中，所述第一转移辊的直径，第一转移辊的转速和温度要满足当第一挤压涂布头将第一催化层涂布到第一转移辊上后，在第一转移辊上的第一催化层旋转到与质子交换膜的a面接触时，第一催化层基本上被干燥或至少第一催化层中的醇类物质被挥发掉了；

s2、在设置于质子交换膜b面一侧的第一压合辊的配合下，所述第一转移辊将被烘烤过的第一催化层转移至质子交换膜的a面；本发明中的第一压合辊是橡胶压合辊；

s3、揭去质子交换膜b面上的保护膜，使质交换膜露出b面；

s4、在设置于质子交换膜b面一侧的第二转移辊上采用第二挤压涂布的方式涂布第二催化层，第二转移辊内设有第二加热源，所述第二加热源可以是电热源也可以是油热源，并通过第二转移辊采用第二预定温度加热，所述第二预定温度可以在80摄氏度至200摄氏度之间选择，至少挥发掉第二催化层中的醇类溶剂；本发明中，所述第二转移辊的直径，第二转移辊的转速和温度要满足当第二挤压涂布头将第二催化层涂布到第二转移辊上后，在第二转移辊旋上第二催化层转到与质子交换膜的b面接触时，第二催化层基本上被干燥或至少第二催化层中的醇类物质被挥发掉了；

s5、在设置于质子交换膜a面一侧的第二压合辊的配合下，所述第二转移辊将被烘烤过的第二催化层转移至质子交换膜的b面，得到ccm膜电极，本发明中的第二压合辊是橡胶压合辊。

优选的，在所述第s5步之后，还存在s6、对ccm膜电极采用第三预定温度进一步烘烤，所述第三预定温度可以在70摄氏度-150摄氏度之间选择，具体温度依据第二催化层的成份而定。

优选的，在所述第一转移辊和第二转移辊的外表面上涂有一层离型层。

优选的，所述离型层是聚四氟乙烯离型层。

参见图2和图3，图2和图3揭示的是一种氢燃料电池ccm膜电极的双辊转印涂布设备，适合于卷对卷的涂布，包括：

放卷机构1，用于放出质子交换膜11，其中质子交换膜具有两面，其中一面上贴有保护膜称为b面，另一面未贴保护膜称为a面；

第一涂布头2，本发明中的第一涂布头2为挤压涂布头，用于给第一转移辊21涂布第一催化层14；所述第一催化层12可以是以pt/c为主要成份的，溶剂为醇类物质的催化层；

第一转移辊21，设置于质子交换膜11的a面一侧，在所述第一转移辊21内设有第一加热源212，第一加热源212可以是电加热源或油热源，所述第一转移辊21采用第一预定温度对所述第一催化层12加热，并至少挥发掉第一催化层中的醇类溶剂，所述醇类物质可以是甲醇、乙醇、丙醇及异丙醇中的一种或几种，所述第一预定温度可以在80摄氏度-200摄氏度之间选择，具体温度依据第一催化层的成份而定；本发明中，所述第一转移辊21的直径，第一转移辊21的转速和温度要满足当第一涂布头2将第一催化层12涂布到第一转移辊21上后，在第一转移辊21上的第一催化层12旋转到与质子交换膜11的a面接触时，第一催化层12基本上被干燥或至少第一催化层12中的醇类物质被挥发掉了，这样可以免除后面的烘烤箱，达到节省设备和减少涂布工艺的目的；

为了方便第一催化层12与第一转移辊21脱离，在所述第一转移辊21的外表面上涂有一层第一离型层211；所述第一离型层211可以是聚四氟乙烯离型层。

为了准确地控制第一转移辊21上的第一催化层12的厚度、温度，可以加设第一激光厚度测试仪和第一温度传感器，分别用于测量第一催化层12的厚度和温度，并将第一催化层的厚度值和温度值输送给控制装置，再由控制装置来调整第一涂布头21的涂布量，以及控制第一加热源212的温度来达到使第一催化层的厚度和温度符合工艺要求；第一转移辊21的转速也可以用第一转速测量仪来测定，并将测定的转速值输送给控制装置，再由控制装置来调整第一转移辊21的转速；

第一压合辊22，位于质子交换膜11的b面一侧，与第一转移辊21相对设置，配合所述第一转移辊21将被烘烤过的第一催化层12转移至质子交换膜11的a面；本发明中的第一压合辊22是用橡胶材料制成的；

保护膜收卷机构4，用于收集从质子交换膜11的b面被剥离出的保护膜13；

第二涂布头5，用于给转移辊6涂布第二催化层14，本发明中的第二涂布头5为挤压涂布头；

第二转移辊6，设置于质子交换膜11的b面一侧，在所述第二转移辊6内设有第二加热源61，第二加热源61可以是电加热源或油热源，所述第二转移辊6采用第二预定温度对所述第二催化层14加热，所述第二预定温度可以在80摄氏度至200摄氏度之间选择，至少挥发掉第二催化层14中的醇类溶剂；本发明中，所述第二转移辊6的直径，第二转移辊6的转速和温度要满足当第二涂布头5将第二催化层14涂布到第二转移辊6上后，在第二转移辊6上的第二催化层14旋转到与质子交换膜11的b面接触时，第二催化层14基本上被干燥或至少第二催化层14中的醇类物质被挥发掉了，第二催化层14没有了醇类物质后，再被转移到质子交换膜11的b面后，就不会出现溶胀的问题；

为了准确地控制第二转移辊6上的第二催化层的厚度、温度，可以加设激光厚度测试仪和温度传感器，分别用于测量第二催化层的厚度和温度，并将第二催化层的厚度值和温度值输送给控制装置，再由控制装置来调整第二涂布头5的涂布量，以及控制加热源61的温度来达到使第二催化层的温度符合工艺要求；转移辊6的转速也可以用转速测量仪来测定，并将测定的转速值输送给控制装置，再由控制装置来调整转移辊6的转速；

第二压合辊7，位于质子交换膜11的a面一侧，与第二转移辊6相对设置，配合所述第二转移辊6将被烘烤过的第二催化层14转移至质子交换膜11的b面得到ccm膜电极；本发明中的第二压合辊7是用橡胶材料制成的；

收卷机构8，对ccm膜电极进行收卷。

本发明中的涂布方式可以续涂布、间歇涂布、条纹涂布和斑马涂布中的一种，或者根据客户需要的设计图案进行涂布。

为了对第一催化层进一步干燥，本发明还包括第一烘烤箱3，采用第四预定温度对第一催化层12进一步进行烘烤。所述第四预定温度可以在70摄氏度-150摄氏度之间选择，具体温度依据第一催化层的成份而定。

为了对ccm膜电极进行进一步干燥，本发明还包括第二烘烤箱9，所述第二烘烤箱9对ccm膜电极采用第三预定温度进一步烘烤；所述第三预定温度可以在70摄氏度-150摄氏度之间选择，具体温度依据第二催化层的成份而定。

为了方便第二催化层与第二转移辊6脱离，在所述第二转移辊6的外表面上涂有一层第二离型层62；所述第二离型层62可以是聚四氟乙烯离型层。