一种提高膜电极大面积平板热转印率的装置及方法与流程

本发明涉及电池膜电极，尤其涉及一种提高膜电极大面积平板热转印率的装置及方法。

背景技术：

1、近几年质子交换膜燃料电池 (proton exchange membrane fuel cells, pemfc)作为一种新型的清洁能源，由于其低污染甚至是无污染性被全球广泛关注。而pemfc的核心部件膜电极 (membrane electrode assembly, mea)，是燃料电池发生氧化还原的主要场所，也是研究者们研究的重点，特别是对其制作工艺的研究。

2、目前普遍采用的是ccm (catalyst coated membrane) 法，即在质子交换膜上形成催化剂层，再与气体扩散层结合形成mea。ccm法的常用制备工艺有喷涂工艺和涂布工艺，相较于喷涂工艺，涂布工艺更适用于量产。涂布工艺又分为直接涂布和间接涂布。间接涂布是将预先配好的催化剂浆料涂布、印刷或者喷涂到某种转印介质上，经过干燥后将其催化剂层再转印到质子交换膜上，得到催化剂覆盖的质子交换膜。由于在转印前已经去除了溶剂，相对于直接涂布质子交换膜不会出现溶胀的现象，而且催化剂层与质子交换膜的结合力增强，因此转印法被认为是适合商业连续化生产膜电极的一种方法。

3、传统的平板热压转印制备膜电极过程中，由于催化剂层在转印介质上涂覆的不均匀性，以及催化剂层中含有粘结剂，尽管转印介质表面十分光滑，但也使得在热压时质子交换膜与转印介质边上的催化剂由于受力不均匀而不能完全转印到膜上，从而降低了催化剂的转印率，增加了膜电极制作成本。为了提高转印率，研究人员从转印膜、液氮冷却剥离、添加辅助层、热压温度和热压时间等诸多方面进行了大量的研究，但是这些方法有一定的成效，但是工艺复杂不利于工业化生产。

4、中国专利cn 110808392 a是取一质子交换膜，将其弯折形成若干段依次堆叠的质子交换膜，并且使得相邻两段质子交换膜之间留有间隙，在首段质子交换膜和尾段质子交换膜两者的外表面设置单面涂覆阳极催化剂或阴极催化剂的转印介质，并且在每相邻的两个间隙中，一间隙插设双面涂覆阳极催化剂的转印介质，另一间隙插设双面涂覆阴极催化剂的转印介质，使得每段质子交换膜的一面对应有阳极催化剂，另一面对应有阴极催化剂，由于是弯折成多段进行热压，其厚度相比于单一长片的厚度厚，用力更加均匀，热压效果更好，能将阳极催化剂和阴极催化剂更加均匀地转印到质子交换膜上，而且能耗低。但是该方法的缺陷是多层叠加中间部分受热慢，需要提高热压温度和热压时间，而且层叠过程对位比较困难，中间间隙比较多更容易残留空气，会产生缺陷。

5、日本专利jp特开2010-153188 a公开了一种燃料电池膜电极的制备方法，在基材上涂覆催化剂浆料，干燥催化剂浆料得到催化剂层，基材与催化剂层构成转印片，转印片催化剂层面与电解质膜上表面和下表面重叠，然后在各催化剂层转印片上配置凝胶状部件，凝胶状构件略大于转印片并且有与电解质膜接触的外周边缘部分，通过热压将催化剂层转印到电解质膜上。但是该方法的缺点是采用双面凝胶部件，而且凝胶部件与转印基材之间、转印基材与电解质膜之间层叠容易空气排不尽产生空隙，导致部分催化剂层转印不下来。

6、针对上述现有平板热转印生产技术中的缺点，提供一种合理的改进工艺，从而可有效的解决上述现有技术的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种提高膜电极大面积平板热转印率的设备及方法，可有效提高转印率。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种提高膜电极大面积平板热转印率的设备，包括覆膜装置及转印贴合装置；所述覆膜装置包括：

4、第一真空吸附平台，用于吸附带有微孔的离型膜及贴设在所述离型膜顶面且带有催化剂层的转印介质；

5、第一供料组件，用于向所述第一真空吸附平台提供粘性材料；

6、第一胶辊，可转动地设置于所述第一真空吸附平台的上方，并可相对于所述第一真空吸附平台上下移动及水平滚动；及

7、第一模切机构，用于裁切粘性材料；

8、所述转印贴合装置包括：

9、第二真空吸附平台，用于吸附固定顶面带有硅胶片的钢板；

10、第二供料组件，用于向所述第二真空吸附平台提供质子交换膜；

11、钢辊和第二胶辊，并排且可转动地设置于所述第二真空吸附平台的上方，可相对于所述第二真空吸附平台上下移动及同步水平滚动；及

12、第二模切机构，用于裁切质子交换膜。

13、进一步地，所述第一供料组件及所述第二供料组件均包括放卷辊、收卷辊及上下设置的一组导向辊，且位于下方的所述导向辊高于相应的所述第一真空吸附平台或所述第二真空吸附平台。

14、进一步地，所述第一模切机构包括并排设置的第一模切刀和打孔组件、第一模切刀驱动件及打孔驱动件；所述打孔组件靠近所述第一供料组件设置，并包括连接座、连接于所述连接座底面的两个打孔件、第一压板及第一弹簧，所述第一压板通过所述第一弹簧与所述连接座的底面连接。

15、进一步地，所述第一真空吸附平台开设有两个落料孔；所述第一真空吸附平台顶面远离所述第一供料组件的一端设置有两个定位销。

16、进一步地，所述第一胶辊的两端连接有驱动其升降的两个第一气缸；两个所述第一气缸连接有气动其同步水平移动的第一水平驱动组件。

17、进一步地，所述第二模切机构包括第二模切刀座、安装于所述第二模切刀座的第二模切刀、第二压板及第二弹簧，所述第二压板通过所述第二弹簧与所述第二模切刀座连接。

18、进一步地，所述第二胶辊的两端连接有驱动其升降的两个第二气缸；所述钢辊的两端连接有驱动其升降的两个第三气缸；同一侧所述第二气缸及所述第三气缸连接有驱动其同步水平移动的第二水平驱动组件。

19、一种提高膜电极大面积平板热转印率的方法，包括以下步骤：

20、s1：采用第一真空吸附平台，依次吸附固定带有微孔的离型膜及转印介质，且转印介质涂布有催化剂层的一面与离型膜贴合；

21、s2：采用第一供料组件，向第一真空吸附平台提供去掉保护膜的粘性材料，且粘性材料的后端高于前端；利用两个定位销与粘性材料的两个定位孔配合，将粘性材料的前端固定在第一真空吸附平台；

22、s3：将第一胶辊调整至预设高度后，使第一胶辊沿水平方向滚动，将粘性材料与转印介质及离型膜粘接为一体；

23、s4：采用第一模切机构，先将粘性材料的后端压持在第一真空吸附平台进行打孔，再将粘性材料切断，转印介质覆膜完成；

24、s5：采用第二真空吸附平台，吸附固定顶面带有硅胶片的钢板；将覆膜后的转印介质定位放置在硅胶片的顶面，去除离型膜使涂布有催化剂层的一面朝上设置；

25、s6：采用第二供料组件，向第二真空吸附平台提供去掉保护膜的质子交换膜，质子交换膜的后端高于前端；将质子交换膜的前端置于钢辊下方并与粘性材料的前端对齐粘接；

26、s7：取第二张覆膜后的转印介质，去除离型膜使涂布有催化剂层的一面朝下设置并轻微贴在钢辊上；利用两个定位销与粘性材料的两个定位孔配合，将第二张覆膜后的转印介质的前端固定在第二真空吸附平台，后端抬起以免与质子交换膜粘接；

27、s8：将第二胶辊及钢辊调整至预设高度后，使第二胶辊及钢辊共同沿水平方向滚动，将两张覆膜后的转印介质与质子交换膜复合粘接形成复合体；

28、s9：采用第二模切机构，先将质子交换膜的后端压持在第二真空吸附平台后切断；

29、s10：在复合体的顶面放置钢板后，将复合体及两个钢板整体放入热压机进行热压转印；冷却后揭去转印介质和粘性材料即得到ccm膜电极。

30、进一步地，所述s中，粘性材料的基材为聚酰亚胺膜或聚萘二甲酸乙二醇酯pen材料，胶层为压敏胶。

31、进一步地，所述s中，硅胶片的厚度为1 mm～5 mm。

32、本发明的有益效果为：

33、1、本发明涉及转印法制备燃料电池膜电极过程中催化剂层的转印率问题，主要用于平板热压转印，尤其是较大面积热转印，能够有效地提高转印率。

34、2、本发明能够尽可能地排除转印基材与质子交换膜之间的空气，提高转印过程中催化剂的利用率。

35、3、本发明中，通过对转印介质进行覆膜能够提高支撑强度，不易变形。

36、4、方便快捷易于操作，可满足科研单位和厂家的需求。