一种燃料电池膜电极的制备设备及系统的制作方法

1.本发明涉及膜电极制备技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极的制备设备及系统。


背景技术：

2.膜电极是燃料电池中燃料与氧化物发生电化学反应的场所，是燃料电池最为关键的核心零部件之一，其性能好坏直接影响到燃料电池的发电性能的优劣。膜包覆催化层(catalyst coated membrane，ccm)是膜电极当中的核心，是由一层电解质膜和两边的催化剂层组成的三明治结构，其中电解质膜既承担了燃料电池中电解质的作用，将阳极产生的质子传输到阴极，又起到了分隔两极燃料和氧化物，避免两者直接接触产生危险。催化剂层是将贵金属催化剂(一般是铂金催化剂)分散到溶剂中，再通过物理沉积或化学沉积的方法沉积到电解质膜的两侧，催化剂层是发生电化学反应的直接场所，催化层的的材料、工艺等因素直接关系到膜电极性能的好坏。
3.当今ccm的主流自动化制备工艺分为两种：喷涂和直涂。喷涂包括超声喷涂、静电喷涂等，是将催化剂墨水通过某种方式雾化分散后，利用喷枪将墨水直接射出到基底材料上；直涂包括刮刀涂布、狭缝涂布、丝网印刷等，是将催化剂墨水直接利用刮涂的方式沉积在基底材料上。两者相比起来，喷涂可以得到更好的催化层形貌，性能更好；而直涂可以实现更快的加工效率，产量更高。
4.ccm分为阳极和阴极，阳极和阴极一般采用不同的催化剂材料和催化剂担载量，使得无论哪种ccm的制备方法都会面临将ccm翻面的难题。电解质膜大多采用全氟磺酸树脂作为原材料，厚度一般在10～30μm，极易吸水发生褶皱。若采用手工翻面，一方面极易造成电解质膜的褶皱和破损，另一方面也可能带入污染物。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种燃料电池膜电极的制备设备及系统，通过将传送带增加真空吸附作用，能够在传送过程中连续不间断的在电解质膜的两面制备出催化层，实现膜电极中膜包覆催化层的连续化生产，从而有效地提高了膜电极的生产效率。
6.第一方面，本发明通过本发明的一实施例提供如下技术方案：
7.一种燃料电池膜电极的制备设备，所述膜电极包括第一催化层、电解质膜以及第二催化层，所述制备设备包括：第一制备机构，用于在所述电解质膜的第一表面制备所述第一催化层，所述第一制备机构包括第一传送带与位于所述第一传送带末端上方的第一制备装置；第二制备机构，用于在所述电解质膜的第二表面制备所述第二催化层，所述第二制备机构包括第二传送带与位于所述第二传送带末端上方的第二制备装置，所述第二传送带位于所述第一传送带下方，所述第一传送带与所述第二传送带均具有真空吸附作用，且所述第一传送带的吸附力小于所述第二传送带的吸附力；进入所述第一传送带的上方皮带的电解质膜在所述第一制备装置的作用下形成所述第一催化层后，在所述第一传送带的真空吸
附作用下传输到所述第一传送带的下方皮带，在所述下方皮带的传输过程中受所述第二传送带的吸附作用进入所述第二传送带并露出未形成催化层的表面，在所述第二制备装置的作用下，形成所述第二催化层。
8.优选地，所述第一传送带与所述第二传送带平行，且所述第一传送带与所述第二传送带的垂直投影之间存在重叠。
9.优选地，所述第一传送带的下方皮带与所述第二传送带的上方皮带之间的垂直距离小于10cm。
10.优选地，所述第一传送带包括第一皮带以及第一真空吸附机构，所述第二传送带包括第二皮带以及第二真空吸附机构；所述第一真空吸附机构位于所述第一皮带内部，用于使所述第一传送带具有真空吸附作用，所述第二真空吸附机构位于所述第二皮带内部，用于使所述第二传送带具有真空吸附作用。
11.优选地，所述第二传送带包括第一子传送带与第二子传送带，所述第二制备装置设置在所述第二子传送带的上方；所述第一传送带与所述第二子传送带平行，所述第一子传送带位于所述第一传送带与所述第二子传送带之间，且呈倾斜设置，所述第一子传送带与所述第二子传送带的垂直投影之间存在部分或全部重叠；进入所述第一传送带的上方皮带的电解质膜在所述第一制备装置的作用下形成所述第一催化层后，在所述第一传送带的真空吸附作用下传输到所述第一传送带的下方皮带，在所述下方皮带的传输过程中受所述第一子传送带的吸附作用进入所述第一子传送带并露出未形成催化层的表面，进入所述第二子传送带，在所述第二制备装置的作用下，形成所述第二催化层。
12.优选地，所述第二传送带还包括第一圆形固定件与第二圆形固定件，所述第一圆形固定件位于所述第一传送带与所述第一子传送带之间，且靠近所述第一子传送带首端，所述第二圆形固定件位于所述第二子传送带上方，处于所述第一子传送带与所述第二制备装置之间，且靠近所述第一子传送带末端；所述第一圆形固定件与第二圆形固定件均用于拉紧所述电解质膜，使所述电解质膜保持平整。
13.优选地，所述第一子传送带与所述第二子传送带的夹角为预设倾斜角，所述预设倾斜角为15到30度。
14.优选地，所述第一传送带包括第一皮带以及第一真空吸附机构，所述第一子传送带包括第三皮带以及第三真空吸附机构，所述第二子传送带包括第四皮带以及第四真空吸附机构；所述第一真空吸附机构位于所述第一皮带内部，用于使所述第一传送带具有真空吸附作用，所述第三真空吸附机构位于所述第三皮带内部，用于使所述第一子传送带具有真空吸附作用，所述第四真空吸附机构位于所述第四皮带内部，用于使所述第二子传送带具有真空吸附作用。
15.优选地，所述第一制备装置包括喷头或刮刀，用于向所述电解质膜表面喷涂或直涂第一催化材料，形成所述第一催化层，所述第二制备装置包括喷头或刮刀，用于向所述电解质膜表面喷涂或直涂第二催化材料，形成所述第二催化层。
16.第二方面，本发明通过本发明的一实施例，提供如下技术方案：
17.一种燃料电池膜电极的制备系统，包括前述第一方面中任一项所述的燃料电池膜电极的制备设备。
18.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
19.本发明实施例提供的一种燃料电池膜电极的制备设备及系统，所述膜电极包括第一催化层、电解质膜以及第二催化层，所述制备设备包括：第一制备机构与第二制备机构，分别用于在电解质膜的两表面制备催化层，第一制备机构包括第一传送带与第一制备装置，第二制备机构包括第二传送带与第二制备装置，第一传送带与第二传送带均具有真空吸附作用；当进入第一传送带的上方皮带的电解质膜在第一制备装置的作用下形成第一催化层后，在第一传送带的真空吸附作用下传输到第一传送带的下方皮带，在下方皮带的传输过程中受第二传送带的吸附作用进入第二传送带并露出未形成催化层的表面，在第二制备装置的作用下，形成第二催化层。该设备通过将第一传送带与第二传送带增加真空吸附作用，使得电解质膜能够在真空吸附作用下传输到第一传送带的下方皮带，由于第二传送带的真空吸附力大于第一传送带的真空吸附力，运输在第一传送带的下方皮带的电解质膜受压力差作用，进入到第二传送带，从而显露出未形成催化层的表面即实现了电解质膜的翻面，实现了膜电极生产中，膜包覆催化层翻面的自动化和连续化，大大提高了膜电极的生产效率。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例提供的燃料电池膜电极的制备设备的结构示意图；
22.图2为本发明实施例提供的一种膜电极的制备设备的结构示意图；
23.图3为本发明实施例提供的另一种膜电极的制备设备的结构示意图；
24.图4为本发明实施例提供的真空吸附机构在制备设备中的结构示意图；
25.图5为本发明实施例提供的燃料电池膜电极的制备系统的结构示意图。
具体实施方式
26.需要说明的是，由于膜电极存在阴阳两极，在膜包覆催化层(catalyst coated membrane，ccm)的生产过程中不可避免地会出现翻面的问题，如今膜电极生产线的并无通用的翻转方式，电解质膜卷材和片材的翻转方式并不通用，且产线翻面过程是不连续的，会导致生产的停滞，严重影响生产效率。
27.具体地，传统的膜包覆催化层生产中的翻面过程通常是采用：移出生产线外翻转的方式，即将电解质膜固定在中间镂空的工装里，该工装能够将电解质膜移出/移入生产线及翻转电解质膜，利用喷头或刮刀在电解质膜的一层沉积催化层，再利用工装将沉积了一侧的电解质膜移出生产线，在生产线外利用工装将电解质膜翻转180
°
，实现膜的翻面，利用工装将翻面后的电解质膜重新移入生产线，在电解质膜另一层沉积催化层。该过程需中断生产，严重影响了生产线的连续性和工作效率。
28.发明人经过长期研究发现，通过将传送带增加真空吸附作用，使得电解质膜在具有真空吸附作用的传送带中运输，并配合一个或多个传送带生产，能够有效实现电解质膜的自动翻面，保证膜电极中膜包覆催化层的连续化生产。
29.本技术实施例通过提供了一种燃料电池膜电极的制备设备及系统，能够在传送过程中通过连续不间断生产的方式在电解质膜的两面制备出催化层，实现膜电极中膜包覆催化层的连续化生产，从而有效地提高了膜电极的生产效率。
30.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
31.第一方面，本发明实施例提供的一种燃料电池膜电极的制备设备，具体来讲，所述膜电极包括第一催化层、电解质膜以及第二催化层，所述制备设备包括：
32.第一制备机构，用于在电解质膜的第一表面(如图1中所示的301)制备第一催化层，如图1所示，第一制备机构包括第一传送带101与位于第一传送带101末端上方的第一制备装置102；第二制备机构，用于在电解质膜的第二表面(如图1中所示的302)制备第二催化层，第二制备机构20包括第二传送带201与位于第二传送带201末端上方的第二制备装置202，第二传送带201位于第一传送带101下方，第一传送带101与第二传送带201均具有真空吸附作用，且第一传送带101的吸附力小于第二传送带201的吸附力。
33.进入第一传送带101的上方皮带的电解质膜在第一制备装置102的作用下形成第一催化层后，在第一传送带101的真空吸附作用下传输到第一传送带的下方皮带，在下方皮带的传输过程中受第二传送带201的吸附作用进入第二传送带201并露出未形成催化层的表面，在第二制备装置201的作用下，形成第二催化层。
34.其中，第一制备装置102可以位于第一传送带101的末端上方，第二制备装置202可以位于第二传送带201的末端上方。第一制备装置102可以包括喷头或刮刀，用于向电解质膜表面喷涂或直涂第一催化材料，形成第一催化层，第二制备装置202可以包括喷头或刮刀，用于向电解质膜表面喷涂或直涂第二催化材料，形成第二催化层。
35.作为一种可选地实施例，如图2所示，第一传送带101与第二传送带201平行，且第一传送带101与第二传送带201的垂直投影之间存在重叠。该结构适用于片材的加工。
36.具体地，针对片材，整个过程靠传送带实现电解质膜的传输，利用传送带下的真空吸附力保证电解质膜能够平整的固定在传送带上运输。如图2所示，将片材电解质膜平整放置于a点传送带开始处(也可通过其他工装或传送带将电解质膜从a点导入产线)，整个生产过程于a点开始。
37.电解质膜由第一传送带送至b点，b点为催化层沉积处，在此处通过喷涂或直涂等加工方式进行第一催化层的制备。
38.结束了第一催化层制备后的电解质膜，通过传送带的转轮翻转180
°
到达c点，由于第一传送带下方存在真空吸附，故能够保证翻转180
°
后的膜依然能够固定在第一传送带上。
39.当电解质膜到达d位置后，由于d位置处第一传送带的真空吸附力小于e位置处第二传送带的真空吸附力，利用d、e处的气体压力差将膜转移至第二传送带上，实现加工表面的翻转，由此，电解质膜由第一传送带转移到了第二传送带。其中，为了能够有效地保证电解质膜的平整，第一传送带的下方皮带与第二传送带的上方皮带之间的距离较小。优选地，第一传送带的下方皮带与第二传送带的上方皮带之间的垂直距离小于10cm。
40.电解质膜在第二传送带上到达催化层沉积处，在此处通过喷涂或直涂等加工方式进行第二催化层的制备。
41.结束第一催化层与第二催化层的制备，通过第二传送带的转轮翻转180
°
到达g点，完成制备的ccm在h点离开第二传送带。
42.在具体实施例中，为了能够使得第一传送带与第二传送带具有真空吸附作用，第一传送带包括第一皮带以及第一真空吸附机构，第二传送带包括第二皮带以及第二真空吸附机构。第一真空吸附机构位于第一皮带内部，用于使第一传送带具有真空吸附作用，第二真空吸附机构位于第二皮带内部，用于使第二传送带具有真空吸附作用。
43.具体来说，所述第一真空吸附机构可以为第一真空吸附面板，该真空吸附面板布置在第一传送带的下方皮带的邻近位置，使得第一传送带的下方皮带具有真空吸附力。第二真空吸附机构可以包括第二真空吸附面板，该第二真空吸附面板布置在第一传送带的上方、下方皮带的邻近位置，使得第一传送带的上方、下方皮带均具有真空吸附力。
44.当然，所述第一真空吸附面板也可以布置在第一传送带的上方、下方皮带的邻近位置，使得第一传送带的上方、下方皮带均具有真空吸附力。
45.作为另一种可选地实施例，如图3所示，第二传送带201可以包括第一子传送带2010与第二子传送带2011，第二制备装置202设置在第二子传送带201的上方；第一传送带101与第二子传送带2011平行，第一子传送带2010位于第一传送带101与第二子传送带2011之间，且呈倾斜设置，第一子传送带2010与第二子传送带2011的垂直投影之间存在部分或全部重叠。优选地，第二制备装置202设置在第二子传送带201的末端上方。
46.进入第一传送带的上方皮带的电解质膜在第一制备装置的作用下形成第一催化层后，在第一传送带的真空吸附作用下传输到第一传送带的下方皮带，在下方皮带的传输过程中受第一子传送带的吸附作用进入第一子传送带并露出未形成催化层的表面，进入第二子传送带，在第二制备装置的作用下，形成第二催化层。
47.需要说明的是，由于第一子传送带起到了转送电解质膜的作用，而为了能够减小制备时间以及减小制备设备的空间占比，第一子传送带的转轮直径将小于第一传送带以及第二子传送带的转轮直径，第一子传送带的带体长度也将小于第一传送带以及第二子传送带的带体长度。
48.举例来说，设置第一传送带与第二子传送带的转轮直径相等，第一传送带与第二子传送带的带体长度相等，将第一子传送带的转轮直径设置为第一传送带的转轮直径的1/2，第一子传送带的带体长度为第一传送带的带体长度的1/5。当然，所述第一子传送带的具体设置可以根据实际的生产需要进行调整，本技术不作限制。
49.进一步地，为了使制备过程中的电解质膜保持平整，第二传送带还可以包括第一圆形固定件2012与第二圆形固定件2013，第一圆形固定件2012位于第一传送带101与第一子传送带2010之间，且靠近第一子传送带2010首端，第二圆形固定件2013位于第二子传送带2011上方，处于第一子传送带2010与第二制备装置202之间，且靠近第一子传送带2010末端；第一圆形固定件2012与第二圆形固定件2013均用于拉紧运输中的电解质膜，使电解质膜始终保持平整。
50.具体地，该第一圆形固定件可以为一个与转轮结构相同的球体，为了使得电解质膜从第一传送带进入到第一子传送带时能更好被拉紧，保证电解质膜的平整，该球体的直径小于第一子传送带的转轮的直径。同样，第二圆形固定件可以为一个与转轮结构相同的球体，为了使得电解质膜从第一子传送带进入到第二子传送带时能更好被拉紧，该球体的
直径小于第一子传送带的转轮的直径。
51.当然，第二传送带也还可以包括三个、四个或更多个固定件，使制备过程中的电解质膜更好地保持平整。
52.具体地，针对片材或卷材，整个过程靠传送带实现电解质膜的传输，利用传送带下的真空吸附力保证电解质膜能够平整的固定在传送带上运输。如图3所示，将片材或卷材电解质膜平整放置于a点传送带开始处(也可通过其他工装或传送带将电解质膜从a点导入产线)，整个生产过程于a点开始。
53.电解质膜由第一传送带送至b点，b点为催化层沉积处，在此处通过喷涂或直涂等加工方式进行第一催化层的制备。
54.结束了第一催化层制备的电解质膜，通过传送带的转轮翻转180
°
到达c点，由于第一传送带下方存在真空吸附，故能够保证翻转180
°
后的电解质膜依然能够固定在第一传送带上。
55.当电解质膜到达d位置后，由于d位置处第一传送带的真空吸附力小于e位置处第一子传送带的真空吸附力，利用d、e处的气体压力差将膜转移至第一子传送带上，实现加工表面的翻转，由此，电解质膜由第一传送带转移到了第一子传送带。其中，为了使得膜的转移更加顺畅，第一子传送带的倾斜角不宜太大或太小。优选地，第一子传送带与第二子传送带的夹角为预设倾斜角，所述预设倾斜角为15到30度。
56.电解质膜将继续运输到第二子传送带上，在第二子传送带上到达催化层沉积处，在此处通过喷涂或直涂等加工方式进行第二催化层的制备。
57.结束第一催化层与第二催化层的制备，通过第二子传送带的转轮翻转180
°
到达g点，完成制备的ccm在h点离开第二子传送带。
58.在具体实施例中，为了能够使得第一传送带、第一子传送带以及第二子传送带具有真空吸附作用，第一传送带可以包括第一皮带以及第一真空吸附机构，第一子传送带可以包括第三皮带以及第三真空吸附机构，第二子传送带可以包括第四皮带以及第四真空吸附机构。
59.第一真空吸附机构位于第一皮带内部，用于使第一传送带具有真空吸附作用，第三真空吸附机构位于第三皮带内部，用于使第一子传送带具有真空吸附作用，第四真空吸附机构位于第四皮带内部，用于使第二子传送带具有真空吸附作用。
60.具体来说，所述第一真空吸附机构可以为第一真空吸附面板，该真空吸附面板布置在第一传送带的下方皮带的邻近位置，使得第一传送带的下方皮带具有真空吸附力。第三真空吸附机构可以包括第三真空吸附面板，该第三真空吸附面板布置在第一子传送带的上方皮带的邻近位置，使得第一子传送带的上方皮带具有真空吸附力。第四真空吸附机构可以包括第四真空吸附面板，该第四真空吸附面板布置在第二子传送带的下方皮带的邻近位置，使得第二子传送带的下方皮带具有真空吸附力。其中，第三真空吸附面板的真空吸附力大于第一真空吸附面板的真空吸附力。
61.当然，所述第三真空吸附面板也可以布置在第一子传送带的上方、下方皮带的邻近位置，使得第一子传送带的上方、下方皮带均具有真空吸附力。所述第四真空吸附面板也可以布置在第二子传送带的上方、下方皮带的邻近位置，使得第二子传送带的上方、下方皮带均具有真空吸附力。
62.作为另一可选地实施例，如图4所示，第一真空吸附机构可以包括第一真空吸附面板401与第二真空吸附面板402，第一真空吸附面板401位于第一传送带内的下方皮带dc段的邻近位置，第二真空吸附面板402位于第一传送带内的下方皮带di段的邻近位置。第三真空吸附机构可以包括第三真空吸附面板403，第三真空吸附面板402位于第一子传送带内的上方皮带kl段的邻近位置。
63.其中，第三真空吸附面板403的真空吸附力大于第二真空吸附面板402的真空吸附力，以使得传输过程中的电解质膜达到d点后，被第一子传送带吸附漏出未形成催化层的表面。
64.本技术提供的燃料电池膜电极的制备设备，实现了膜电极生产线中，ccm翻面的自动化和连续化，把翻面过程整合进了产线，大大提高了连续生产效率。该制备设备能够实现卷材和片材的加工，可以避免由于只能加工片材或卷材而造成生产线需大幅改造的可能。
65.综上所述，通过本技术实施例提供的一种燃料电池膜电极的制备设备，通过将传送带增加真空吸附作用，能够在传送过程中连续不间断的在电解质膜的两面制备出催化层，实现膜电极中膜包覆催化层的连续化生产，从而有效地提高了膜电极的生产效率。
66.第二方面，基于同一发明构思，如图5所示，本实施例提供了一种燃料电池膜电极的制备系统500，包括前述第一方面所述的燃料电池膜电极的制备设备501。该制备系统能完成前述燃料电池膜电极的制备设备实施例中相应内容。为简要描述，制备系统实施例部分未提及之处，可参考前述燃料电池膜电极的制备设备实施例中相应内容。
67.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
68.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
69.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。