膜電極的制備系統、膜電極的制備方法及燃料電池與流程

本發明涉及燃料電池技術領域，具體而言，涉及一種膜電極的制備系統、膜電極的制備方法及燃料電池。

背景技術：

目前膜電極按照結構不同可以分為cdm法和ccm法兩種。其中，cdm法通常是將催化劑層制備到擴散層表面，形成擴散電極，然后將擴散電極與質子交換膜通過一定的工藝結合在一起。然而，在上述cdm法制備膜電極的工藝中，制得的擴散電極與質子交換膜的接觸不夠緊密，界面電阻較大，不利于質子傳輸，且催化劑層需要很厚，成本較高。因此，目前應用較為普遍的是ccm法，ccm法是通過將催化劑制備到質子交換膜上形成覆有催化劑的膜，再與擴散層結合在一起，這種方法可以提高催化劑的利用率，進一步降低pt的用量，催化劑層與質子交換膜接觸也更好，從而提高了質子傳導性，提高了電池性能。

ccm法主要分為間接法和直接法，間接ccm法制備膜電極的工藝主要通過將配制的催化劑漿料印刷、澆鑄或噴涂在某種承印介質材料(如ptfe膜等)表面，然后通過熱壓將活性催化劑層轉移到質子交換膜表面的方法；上述直接法制備膜電極的工藝是指將催化劑直接噴涂在質子交換膜表面從而制備膜電極的方法，工藝中通常采用框架將質子交換膜固定于噴涂平臺上，并用真空吸附的方式使質子交換膜保持平整，然后將催化劑漿料直接噴涂在質子交換膜上，噴涂過程中采用加熱或者光照的方式，瞬間將漿料中的熔劑揮發掉。

然而，上述間接法制備ccm膜電極的不足之處在于溫度和壓力對膜以及催化劑在膜上附著強度有影響，而且在熱壓時，膜和轉移介質接觸的邊緣由于受力不均勻，容易被破壞；另外，在轉移過程中，由于熱壓使得部分催化劑黏在轉移介質上使得催化劑利用率下降，且轉移介質由于經常受熱壓而容易變形不能重復使用，增加制備成本。而對于已公布的直接法制備ccm膜電極，其僅僅是一種實驗室小量的制備工藝不適合工業化生產。

技術實現要素：

本發明的主要目的在于提供了一種膜電極的制備系統、膜電極的制備方法及燃料電池，以解決現有技術中膜電極的生產工藝不適用于工業化生產的問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種膜電極的制備系統，包括：邊框薄膜制備系統，用于形成具有鏤空區域的邊框薄膜；層壓系統，用于將邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側并進行層壓，形成復合薄膜；催化劑噴涂系統，用于對復合薄膜的兩側表面噴涂催化劑，形成膜電極；其中，邊框薄膜制備系統、層壓系統和催化劑噴涂系統沿物料的傳輸方向依次設置。

進一步地，還包括傳輸裝置，傳輸裝置用于傳輸物料，傳輸裝置包括第一傳輸裝置，邊框薄膜制備系統包括沿第一傳輸裝置的傳輸方向依次設置的放卷設備、膠黏劑涂布設備、干燥設備和模切設備。

進一步地，干燥設備為烘箱，烘箱中烘道的長度為3～15m。

進一步地，層壓系統包括輥壓機，傳輸裝置還包括與第一傳輸裝置連接的第二傳輸裝置，用于將邊框薄膜和質子交換膜送入輥壓機中。

進一步地，傳輸裝置還包括與第二傳輸裝置連接的第三傳輸裝置，催化劑噴涂系統包括沿第三傳輸裝置的傳輸方向依次設置的催化劑噴涂設備和收卷設備，第三傳輸裝置與第二傳輸裝置連接。

進一步地，催化劑噴涂設備包括第一噴涂組件和第二噴涂組件，第一噴涂組件和第二噴涂組件相對設置于第三傳輸裝置的兩側。

進一步地，制備方法包括以下步驟：s1，將預制薄膜形成具有鏤空區域的邊框薄膜；s2，將邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側并進行層壓，形成復合薄膜；s3，對復合薄膜的兩側表面噴涂催化劑，形成膜電極。

進一步地，預制薄膜為聚對苯二甲酸乙二醇酯膜或聚萘二甲酸乙二醇酯膜。

進一步地，步驟s1包括：步驟s11，在預制薄膜的一側表面涂布膠黏劑，以形成膠黏層；步驟s12，對預制薄膜和膠黏層進行干燥處理，以形成固化薄膜；步驟s13，對固化薄膜進行模切處理，以得到邊框薄膜。

進一步地，在步驟s11中，膠黏劑在一側表面的涂布速率為1～3m/min。

進一步地，在步驟s11中，膠黏劑包括環氧樹脂、聚醋酸乙烯、聚丙烯酸樹脂和聚乙烯醇縮丁醛中的任一種或多種。

進一步地，膠黏層的厚度為5～100μm。

進一步地，在步驟s12中，干燥處理的溫度為50～130℃。

進一步地，步驟s2包括：步驟s21，將兩個邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側，以形成待層壓薄膜；步驟s22，對待層壓薄膜進行層壓，層壓的溫度為50～80℃，壓力為0.1～0.2mpa。

進一步地，膜電極用于制備燃料電池，邊框薄膜的鏤空區域的面積與預設的燃料電池的反應區域的面積相等。

應用本發明的技術方案，提供了一種膜電極的制備系統，由于該制備系統包括邊框薄膜制備系統、層壓系統和催化劑噴涂系統，且邊框薄膜制備系統用于形成具有鏤空區域的邊框薄膜，層壓系統用于將邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側并進行層壓，形成復合薄膜，催化劑噴涂系統用于對復合薄膜的兩側表面噴涂催化劑，形成膜電極，從而通過在質子交換膜的兩側設置具有鏤空區域的邊框薄膜，無需通過框架將質子交換膜固定，即實現了催化劑在所需區域的噴涂，從而提高了催化劑的利用率，降低了催化劑的用量，使催化劑層與質子交換膜更好地接觸，從而提高了質子傳導性，提高了電池性能，進而使采用上述制備系統的膜電極制備工藝能夠適用于工業化批量生產，且成本較低。

除了上面所描述的目的、特征和優點之外，本發明還有其它的目的、特征和優點。下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構成本發明的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1示出了本發明實施方式所提供的一種膜電極的制備系統的結構示意圖；以及

圖2示出了本發明實施方式所提供的膜電極的制備方法的流程示意圖。

其中，上述附圖包括以下附圖標記：

10、邊框薄膜制備系統；110、放卷設備；120、膠黏劑涂布設備；130、干燥設備；140、模切設備；20、層壓系統；210、輥壓機；30、催化劑噴涂系統；311、第一噴涂組件；312、第二噴涂組件；320、收卷設備；40、傳輸裝置。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。

需要說明的是，本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用于區別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這里描述的本發明的實施例。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對于這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。

正如背景技術中所介紹的，現有技術中直接法制備ccm膜電極，其僅僅是一種實驗室小量的制備工藝不適合工業化生產。本申請的發明人針對上述問題進行研究，提出了一種膜電極的制備系統，如圖1所示，包括：邊框薄膜制備系統10，用于形成具有鏤空區域的邊框薄膜；層壓系統20，用于將邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側并進行層壓，形成復合薄膜；催化劑噴涂系統30，用于對復合薄膜的兩側表面噴涂催化劑，形成膜電極；其中，邊框薄膜制備系統10、層壓系統20和催化劑噴涂系統30沿物料的傳輸方向依次設置。

本發明的上述膜電極的制備系統中由于包括邊框薄膜制備系統、層壓系統和催化劑噴涂系統，且邊框薄膜制備系統用于形成具有鏤空區域的邊框薄膜，層壓系統用于將邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側并進行層壓，形成復合薄膜，催化劑噴涂系統用于對復合薄膜的兩側表面噴涂催化劑，形成膜電極，從而通過在質子交換膜的兩側設置具有鏤空區域的邊框薄膜，無需通過框架將質子交換膜固定，即實現了催化劑在所需區域的噴涂，從而提高了催化劑的利用率，降低了催化劑的用量，使催化劑層與質子交換膜更好地接觸，從而提高了質子傳導性，提高了電池性能，進而使采用上述制備系統的膜電極制備工藝能夠適用于工業化批量生產，且成本較低。

為了提高上述膜電極的制備系統的操作效率，優選地，制備系統還包括傳輸裝置40，傳輸裝置40用于傳輸物料，傳輸裝置40包括第一傳輸裝置，邊框薄膜制備系統10包括沿第一傳輸裝置的傳輸方向依次設置的放卷設備110、膠黏劑涂布設備120、干燥設備130和模切設備140。上述干燥設備130能夠實現對膠黏劑的快速干燥，從而快速進入下一步驟工序，以提高生產效率。

在操作上述邊框薄膜制備系統10時，首先將預制薄膜的卷膜設置于放卷設備110上，放卷設備110上的預制薄膜通過第一傳輸裝置傳輸至膠黏劑涂布設備120中進行膠黏劑的涂布，以在預制薄膜上形成膠黏層，并且，上述預制薄膜優選為聚對苯二甲酸乙二醇酯膜或聚萘二甲酸乙二醇酯膜；然后，表面涂布有膠黏層的預制薄膜再通過第一傳輸裝置傳輸至干燥設備130中干燥以形成固化薄膜；最后，上述固化薄膜再通過第一傳輸裝置傳輸至模切設備140中進行模切處理，以得到具有鏤空區域的邊框薄膜，上述鏤空區域根據預設的燃料電池的反應區域進行設計，優選地，邊框薄膜的鏤空區域的面積與預設的燃料電池的反應區域的面積相等。上述邊框薄膜不僅起到固定質子交換膜，使其在噴涂過程中不易變形褶皺的作用，還能夠減少質子交換膜使用面積，降低成本，因質子交換膜價格昂貴。

在本發明的上述邊框薄膜制備系統10中，為了提高邊框薄膜表面的粘附性，優選地，上述膠黏劑涂布設備120中向預制薄膜表面涂布的膠黏劑包括環氧樹脂、聚醋酸乙烯、聚丙烯酸樹脂和聚乙烯醇縮丁醛中的任一種或多種，更為優選地，形成的膠黏層的厚度為5～100μm；并且，優選地，第一傳輸裝置在通過膠黏劑涂布設備120的傳輸速率為1～3m/min。為了提高上述干燥設備130的干燥效率，優選地，干燥設備130為烘箱，烘箱中烘道的長度為3～15m；并且，優選地，干燥設備130中干燥處理的溫度為50～130℃。

在本發明的上述制備系統中，為了提高層壓系統20的層壓效果，優選地，層壓系統20包括輥壓機210，傳輸裝置40還包括與第一傳輸裝置連接的第二傳輸裝置，用于將邊框薄膜和質子交換膜送入輥壓機210中；更為優選地，上述輥壓機210內的溫度為50～80℃，壓力為0.1～0.2mpa。

在操作上述層壓系統20時，首先，通過將兩層邊框薄膜和質子交換膜設置在不同的薄膜傳輸裝置上，從而通過薄膜傳輸裝置的傳輸將邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側，以形成待層壓薄膜；然后，待層壓薄膜通過上述第二傳輸裝置傳輸至輥壓機210中進行層壓，以形成復合薄膜。

在本發明的上述制備系統中，傳輸裝置40還可以包括與第二傳輸裝置連接的第三傳輸裝置，催化劑噴涂系統30可以包括沿第三傳輸裝置的傳輸方向依次設置的催化劑噴涂設備和收卷設備320，第三傳輸裝置與第二傳輸裝置連接。

在操作上述催化劑噴涂系統30時，首先，與第二傳輸裝置連接的第三傳輸裝置將上述復合薄膜輸送至催化劑噴涂設備中，上述催化劑噴涂設備對復合薄膜的兩側表面進行催化劑的噴涂，本領域技術人員可以根據現有技術對上述催化劑的種類進行合理選取，并且，為了提高催化劑的噴涂效率，優選地，催化劑噴涂設備包括第一噴涂組件311和第二噴涂組件312，且第一噴涂組件311和第二噴涂組件312相對設置于第三傳輸裝置的兩側；然后，上述涂覆有催化劑的復合薄膜通過上述第三傳輸裝置傳輸至收卷設備320中進行收卷，以得到膜電極。

根據本申請的另一個方面，提供了一種膜電極的制備方法，如圖2所示，該制備方法包括以下步驟：s1，將預制薄膜形成具有鏤空區域的邊框薄膜；s2，將邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側并進行層壓，形成復合薄膜；s3，對復合薄膜的兩側表面噴涂催化劑，形成膜電極。

本發明的上述膜電極的制備方法中由于首先形成具有鏤空區域的邊框薄膜，然后在質子交換膜的兩側設置邊框薄膜并進行層壓，從而無需通過框架將質子交換膜固定，即能夠實現催化劑在所需區域的噴涂，從而提高了催化劑的利用率，降低了催化劑的用量，使催化劑層與質子交換膜更好地接觸，提高了質子傳導性，提高了電池性能，進而使上述制備方法能夠適用于工業化批量生產，且成本較低。

下面將更詳細地描述根據本發明提供的膜電極的制備方法的示例性實施方式。然而，這些示例性實施方式可以由多種不同的形式來實施，并且不應當被解釋為只限于這里所闡述的實施方式。應當理解的是，提供這些實施方式是為了使得本申請的公開徹底且完整，并且將這些示例性實施方式的構思充分傳達給本領域普通技術人員。

首先，執行步驟s1：將預制薄膜形成具有鏤空區域的邊框薄膜。在一種優選的實施方式中，步驟s1包括：步驟s11，在預制薄膜的一側表面涂布膠黏劑，以形成膠黏層；步驟s12，對預制薄膜和膠黏層進行干燥處理，以形成固化薄膜；步驟s13，對固化薄膜進行模切處理，以得到上述邊框薄膜，邊框薄膜的鏤空區域根據預設的燃料電池的反應區域進行設計，優選地，邊框薄膜的鏤空區域的面積與預設的燃料電池的反應區域的面積相等。

在上述步驟s11中，為了提高邊框薄膜表面的粘附性，優選地，膠黏劑包括環氧樹脂、聚醋酸乙烯、聚丙烯酸樹脂和聚乙烯醇縮丁醛中的任一種或多種，更為優選地，形成的膠黏層的厚度為5～100μm；并且，優選地，膠黏劑在預制薄膜表面的涂布速率為1～3m/min。在上述步驟s12中，為了提高上述干燥處理工藝的干燥效率，優選地，將設置有膠黏層的預制薄膜設置于烘箱中進行干燥處理。更為優選地，烘箱中干燥處理的溫度為50～130℃；并且，烘箱中烘道的長度為3～15m。

在完成上述步驟s1之后，執行步驟s2：將邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側并進行層壓，形成復合薄膜。上述層壓是指將邊框薄膜和質子交換膜通過壓力復合形成一個完整的薄膜的工藝，為了提高層壓效果，在一種優選的實施方式中，步驟s2包括：步驟s21，將兩個邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側，以形成待層壓薄膜；步驟s22，對待層壓薄膜進行層壓，層壓的溫度為50～80℃，壓力為0.1～0.2mpa。

在完成上述步驟s2之后，執行步驟s3：對復合薄膜的兩側表面噴涂催化劑，形成膜電極。本領域技術人員可以根據現有技術對上述催化劑的種類進行合理選取，并且，為了實現催化劑的噴涂效率，優選地，同時采用兩個噴涂組件分別對上述復合薄膜相對的兩個表面進行催化劑的噴涂。

下面將結合實施例進一步說明本發明提供的膜電極的制備系統及膜電極的制備方法。

實施例1

本實施例提供的膜電極的制備系統包括傳輸裝置以及沿傳輸裝置的傳輸方向依次設置邊框薄膜制備系統、層壓系統和催化劑噴涂系統，傳輸裝置包括順序連接的第一傳輸裝置、第二傳輸裝置和第三傳輸裝置，邊框薄膜制備系統包括沿第一傳輸裝置的傳輸方向依次設置的放卷設備、膠黏劑涂布設備、干燥設備和模切設備，層壓系統包括輥壓機，催化劑噴涂系統包括沿第三傳輸裝置的傳輸方向依次設置的催化劑噴涂設備和收卷設備，其中，催化劑噴涂設備包括第一噴涂組件和第二噴涂組件，第一噴涂組件和第二噴涂組件相對設置于第三傳輸裝置的兩側。

實施例2

本實施例提供的膜電極的制備方法采用實施例1中的制備系統，制備方法包括以下步驟：

首先，將聚對苯二甲酸乙二醇酯膜設置于放卷設備上，放卷設備上的預制薄膜通過第一傳輸裝置傳輸至膠黏劑涂布設備中進行膠黏劑的涂布，以在預制薄膜上形成厚度為50μm的膠黏層，涂布設備中第一傳輸裝置的傳輸速率為2m/min，上述膠黏劑包括環氧樹脂和聚醋酸乙烯，表面涂布有膠黏層的預制薄膜再通過第一傳輸裝置傳輸至烘箱中干燥以形成固化薄膜，烘箱中烘道的長度為10m，溫度為100℃，上述固化薄膜再通過第一傳輸裝置傳輸至模切設備中進行模切處理，以得到具有鏤空區域的邊框薄膜，上述鏤空區域根據預設的燃料電池的反應區域進行設計。

然后，通過將兩層邊框薄膜和質子交換膜設置不同的薄膜傳輸裝置上，再通過薄膜傳輸裝置的傳輸將邊框薄膜分別設置于質子交換膜的兩側，以形成待層壓薄膜，待層壓薄膜通過第二傳輸裝置傳輸至輥壓機中進行層壓，以形成復合薄膜，輥壓機內的溫度為60℃，壓力為0.15mpa。

最后，利用第三傳輸裝置將上述復合薄膜輸送至催化劑噴涂設備中，上述催化劑噴涂設備對復合薄膜的兩側表面進行催化劑的噴涂，催化劑噴涂設備包括第一噴涂組件和第二噴涂組件，且第一噴涂組件和第二噴涂組件相對設置于第三傳輸裝置的兩側，上述涂覆有催化劑的復合薄膜再通過上述第三傳輸裝置傳輸至收卷設備中進行收卷，以得到膜電極。

對上述實施例2中膜電極的性能進行測試，從測試結果可以看出上述膜電極具有較低的界面電阻和較高的質子傳導性，從而提高了由上述膜電極制備而成的燃料電池的性能；并且，上述制備方法適用于工業化批量生產，且成本較低。

從以上的描述中，可以看出，本發明上述的實施例實現了如下技術效果：

1、提高了催化劑的利用率，降低了催化劑的用量，使催化劑層與質子交換膜更好地接觸，從而提高了質子傳導性，提高了電池性能；

2、采用上述制備系統的膜電極制備工藝能夠適用于工業化批量生產，且成本較低。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。