一种燃料电池CCM膜的制作设备及制作方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池CCM膜的制作设备，所述设备包括热压焊机、箱体，所述箱体内设置有放卷组件、剥膜组件、喷涂组件、干燥组件、纠偏组件以及检测组件；该技术方案确保CCM连续高效生产的同时，防止了CCM制作过程中的收缩褶皱的问题，同时采用先进的检查技术及时发现生产过程中膜的质量，提高了CCM膜的质量。提高了CCM膜的质量。提高了CCM膜的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池CCM膜的制作设备及制作方法


[0001]本专利技术涉及新能源领域，指的是新能源所用设备的制作工艺和设备，特指燃料电池中 CCM膜的制作工艺和主要设备，特别适用于带双面保护膜的质子交换膜表面制备催化剂层。

技术介绍

[0002]燃料电池技术是一种多学科交叉的综合技术，它可以直接将化学能转换为电能的装置，代表着清洁能源的发展方向。燃料电池中的膜电极则是燃料电池的“芯片”，也是整个系统中技术含量最高的一个环节。作为燃料电池“芯片”的膜电极由质子交换膜、催化剂和气体扩散层(碳布)等，而复合有阳极和阴极催化剂的质子交换膜 (CCM)的制作则是整个膜电极制作的关键。
[0003]由于CCM在整个膜电极的结构中处于中心和核心位置，它的性能优劣直接决定的电堆的效能和稳定性。目前燃料电池领域使用的质子交换膜主要以全氟磺酸膜为主，这种膜具有较好的离子传导能力，化学性能稳定，气体渗透性低，且具有一定的机械强度。为提高电堆的体积功率，质子交换交换膜的厚度趋向于往更薄方向发展，以期得到更佳的电化学性能，但厚度减薄带来的问题是机械强度进一步降低，这为CCM薄的制作带来新的难度。在对质子交换膜进行催化剂层涂布时，由于催化剂中的溶剂会使得质子交换膜发生溶胀变形，影响到CCM 的形状和均匀性，给后续压制气体扩散层、贴合气体密封层等电极的组装带来困难，大幅降低膜电极的效能和成材率。
[0004]为降低质子交换膜涂布催化剂时的变形，中国专利CN101463487A提出了将固体聚合物膜放置在真空加热板上，通过抽真空的办法使膜紧贴在板的表面，使得无法质子交换膜无法发生形变，在有效提高催化剂层与膜结合力的同时，减少了膜的变形。这一方法是当前单片 CCM制备的主流技术，但由于这一方法的制作周期长，制作效率低，无法满足工业化的应用。代表当今CCM膜制作主流技术是采用卷对卷的办法，即将成卷的质子交换膜开卷后在一面涂覆阳极催化剂，固化后在在另一面涂阴极催化剂，固化后成卷，从而大幅提高生产效率和质量。中国专利CN110265673A提出了一种卷对卷的制作工艺，在这个工艺中质子交换膜通过放卷机构放卷后，进行A面涂布第一催化层，涂覆完成后进入第一烘烤箱，A面完成后在进行B 面的涂覆，由于涂覆催化剂后的质子交换膜是连续移动的，采用固定方式的烘烤箱难以固定质子交换膜，很难保证质子交换膜在固化的过程中不发生变形。在CCM膜的检测方面，专利 CN210347486U提出了一种膜电极缺陷在线检测设备，该设备采用图像采集装置和激光测距仪组合，激光测距仪用于对膜电极整个宽度方向上的位置进行测距，而膜表面的质量则通过图像视觉系统进行检测，由于膜和催化剂层的厚度很薄，影响到视觉系统的灵敏性，因此只能用于膜电极缺陷的在线检测，难以满足对CCM催化剂层缺陷的检测。
[0005]综上所述，在目前CCM膜的制作方面我国还没有实现真正意义上的连续卷对卷方式的装备，制约膜电极的自动化制造水平。因此发展一种能连续卷对卷的CCM制造设备，最大限度减少涂覆过程中质子交换膜的变形，提高CCM膜的质量对整个燃料电池产业的发展
具有重要的意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对我国燃料电池CCM膜制作技术的现状，提出了一种连续高效的CCM膜的制作方法，该技术的核心是确保CCM连续高效生产的同时，防止了CCM制作过程中的收缩褶皱的问题，同时采用先进的检查技术及时发现生产过程中膜的质量，提高了CCM膜的质量。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下，一种燃料电池CCM膜的制作设备，所述设备包括热压焊机、箱体，所述箱体内设置有放卷组件、剥膜覆膜组件、喷涂组件、干燥组件、纠偏组件以及检测组件，
[0008]所述放卷组件包括热压焊机，入口夹送辊，入口夹送辊的转动速度决定生产速度。
[0009]剥膜组件和覆膜组件包括上下保护膜剥离辊和上下保护膜覆膜辊；喷涂组件包括上窄缝式喷嘴和下窄缝喷嘴，调整窄缝的宽度控制喷射量；
[0010]干燥组件包括上干燥辊、上热风喷嘴、上干燥箱、下干燥辊、下热风喷嘴、下干燥箱，干燥箱内部的真空防止膜的变形；
[0011]纠偏组件包括纠偏辊，纠偏辊由一根平辊和一根凸度辊组成，凸度辊可前后移动，纠偏装置与检测机构联锁；
[0012]检测组件包括上表面检测仪和下表面检测仪，用于检测膜上催化剂层厚度和膜的位置；质子交换交换膜卷进入到箱体后，依次经过入口夹送辊、上表面剥离辊、上窄缝式喷嘴、上干燥辊、热风喷嘴、上干燥箱、检测仪、下保护膜剥离辊、上保护膜、纠偏辊、下窄缝式喷嘴、下干燥辊、下热风喷嘴、下干燥箱、下表面检测仪、下保护膜以及出口夹送辊，完成CCM 膜制备。
[0013]作为本专利技术的一种改进，所述上/下干燥辊包括四氟薄膜、硬四氟框架、干燥辊筒体、干燥辊微孔、电加热带、电刷、真空接口，干燥辊筒体的外表面开有干燥辊微孔，干燥辊筒体的内部电加热带，干燥辊筒体上未接触到CCM膜的位置设置硬四氟框架，所述硬四氟框架上设置四氟薄膜，硬四氟框架的端部设置有电刷、真空接口。
[0014]该方案中，放卷的速度由一对入口夹送辊控制放卷速度V(m/min)，一对放卷辊中的一根固定，另一根可上下移动，固定辊带为主动辊，由变频电机驱动，辊子间的压力由一对辊子上的气缸调节，辊子的下压力为150
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500N，辊子工作段的直径为Φ50mm，表面材质为硬度80
‑
85A的聚氨酯。
[0015]作为本专利技术的一种改进，所述质子交换膜上表面的保护膜由上保护膜剥离辊4实现，上保护膜剥离辊由一对钢辊衬聚氨酯的辊组成，缠绕保护膜的辊子为主动辊，该辊子转动采用定距模式，通过变频电机保证其转动线速度与膜的移动速度一致。
[0016]作为本专利技术的一种改进，上窄缝式喷嘴为一扁平式喷嘴，喷嘴内部的压力保持在 0.1
‑
0.3Mpa，喷嘴的缝隙宽度为0.05
‑
0.1mm，喷嘴带开闭装置，喷射量根据CCM膜表面催化剂量和生产速度的需要通过压力予以调节。所述上窄缝式喷嘴5和下窄缝喷嘴14结构相同。
[0017]作为本专利技术的一种改进，所述上干燥辊为一圆筒形辊子，辊子的直径ΦD＝600
‑
1000mm，辊子内部为中空型，内部采用电磁加热或电热带进行加热，辊子表面的温度保持在70
‑
120℃，辊子的表面开有直径为10
‑
20μm的通孔，孔与孔之间的间距不大于5mm，上干燥辊为主动辊，通过变频电机控制转速，转动过程中的线速度与膜的移动速度V一致，辊子接真
空系统，辊子内部的绝对压力保持在2000
‑
5000Pa的范围。
[0018]作为本专利技术的一种改进，干燥辊未与质子交换膜接触的部分采用四氟薄膜封闭，其中硬四氟框架，气囊外部即四氟薄膜由硬质PTFE制作，与辊子接触部位即硬四氟框架采用软质 PTFE，辊子上微孔传递真空系统吸附力将软质PTFE吸附到辊子表面，与外界保持密封。密封结构的总高度与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池CCM膜的制作设备，其特征在于，所述设备包括热压焊机(2)、箱体(23)，所述箱体内设置有放卷组件、剥膜组件、喷涂组件、干燥组件、纠偏组件以及检测组件，所述放卷组件包括入口夹送辊(3)，剥膜组件包括上保护膜剥离辊(4)和下保护膜剥离辊(10)；喷涂组件包括上窄缝式喷嘴(5)和下窄缝喷嘴(14)；干燥组件包括上干燥辊(6)、上热风喷嘴(7)、上干燥箱(8)、下干燥辊(15)、下热风喷嘴(16)、下干燥箱(17)；纠偏组件包括纠偏辊(12)，检测组件包括上表面检测仪(9)和下表面检测仪(18)；质子交换交换膜卷(1)进入到箱体(23)后，依次经过入口夹送辊(3)、上表面剥离辊(4)、上窄缝式喷嘴(5)、上干燥辊(6)、热风喷嘴(7)、上干燥箱(8)、检测仪(9)、下保护膜剥离辊(10)、上保护膜(11)、纠偏辊(12)、下窄缝式喷嘴(14)、下干燥辊(15)、下热风喷嘴(16)、下干燥箱(17)、下表面检测仪(18)、下保护膜19以及出口夹送辊(20)，完成CCM膜制备。2.根据权利要求1所述的燃料电池CCM膜的制作设备，其特征在于，所述上/下干燥辊包括四氟薄膜(2
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1)、硬四氟框架(2
‑
2)、干燥辊筒体(2
‑
3)、干燥辊微孔(2
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4)、电加热带(2
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5)、电刷(2
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6)以及真空接口(2
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7)，干燥辊筒体(2
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3)的外表面开有干燥辊微孔(2
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4)，干燥辊筒体(2
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3)的内部电加热带(2
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5)，干燥辊筒体(2
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3)上未接触到CCM膜的位置设置硬四氟框架(2
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2)，所述硬四氟框架(2
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2)上设置四氟薄膜(2
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1)，硬四氟框架(2
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2)的端部设置有电刷(2
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6)、真空接口(2
‑
7)。3.根据权利要求2所述的燃料电池CCM膜的制作设备，其特征在于，质子交换膜上表面的保护膜由上保护膜剥离辊(4)实现，上保护膜剥离辊由一对钢辊衬聚氨酯的辊组成，缠绕保护膜的辊子为主动辊，该辊子转动采用定距模式，通过变频电机保证其转动线速度与膜的移动速度一致。4.根据权利要求3所述的燃料电池CCM膜的制作设备，其特征在于，上窄缝式喷嘴为一扁平式喷嘴，喷嘴内部的压力保持在0.1
‑
0.3Mpa，喷嘴的缝隙宽度为0.05
‑
0.1mm，喷嘴带开闭装置，喷射量根据CCM膜表面催化剂量和生产速度的需要通过压力予以调节，所述上窄缝式喷嘴(5)和下窄缝喷嘴(14)结构相同。5.根据权利要求4所述的燃料电池CCM膜的制作设备，其特征在于，所述上干燥辊为一圆筒形辊子，辊子的直径ΦD＝600
‑
1000mm，辊子内部为中空型，内部采用电磁加热或电热带进行加热，辊子表面的温度保持在70
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120℃，辊子的表面开有直径为10
‑
20μm的通孔，孔与孔之间的间距不大于5mm，上干燥辊为主动辊，通过变频电机控制转速，转动过程中的线速度与膜的移动速度V一致，辊子接真空系统，辊子内部的绝对压力保持在2000
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5000Pa的范围。6.根据权利要求5所述的燃料电池CCM膜的制作设备，其特征在于，干燥辊未与质子交换膜接触的部分采用四氟薄膜(2
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10封闭，其中硬四氟框架(2
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2)，气囊外部即四氟薄膜(2
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1)由硬质PTFE制作，与辊子接触部位即硬四氟框架(2
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【专利技术属性】
技术研发人员：潘红良，屈军杰，阮健，
申请(专利权)人：上海务宝机电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：