[发明专利]一种燃料电池三层核心组件的连续化制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池三层核心组件(3-CCM)的连续化制造工艺技术。

背景技术

燃料电池以其高效、污染小、可靠性高及易维护等诸多优点，被誉为是继水力、火力和核能之后的第四代发电装置。而质子交换膜燃料电池(PEMFC)又是其中适应性最广的燃料电池类型。PEMFC是目前较成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术。由于其使用可再生的能源资源——氢气，生成反应物为水，实现了零排放。PEMFC用的核心组件(Catalyst Coated Membrane，CCM)是近年发展起来有别于传统膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)结构的技术，由于CCM技术中催化剂层与电解质膜具有良好接触，这种方法可以提高催化剂的利用率，并且在同一性能要求下能进一步降低Pt的担载量。因此CCM技术是被大家看好的制作MEA的主流研究方向，国内外已经发表了多篇相关专利和文献。

而随着PEMFC商业化程度的深入和需求量的逐年增大，CCM批量制造工艺技术成为燃料电池产量提高的瓶颈，这其中的关键工艺难点在于：为了提升燃料电池输出性能，质子交换膜的厚度被做得越来越薄，比如美国杜邦公司的NR212膜为50微米，NR211膜为25微米，XL膜为25微米和武汉理工新源有限公司自供的WIFION复合膜为12.5微米，并且他们易受到环境温湿度的影响，这导致连续化CCM制造过程中对其的牵引、张力控制、涂覆和加热处理等方面存在困难，因此，CCM的可连续化批量制造工艺近年来引起众多国际商业巨头们的关注：

已授权的比亚迪公司中国专利200710130584公开了一种制备燃料电池膜电极的丝网印刷制备方法，使由通过控制催化剂浆料的固体含量在5wt％～15wt％之间，则在使用催化剂浆料由丝网印刷法制备催化层的过程中，期望可以控制催化层的印刷精度在0.5～3微米的范围内，使催化层的厚度更加均匀，从而改善膜电极的性能；

已授权的赫切斯特公司中国专利96199142.9提供了一种膜/电极组成品的连续化生产工艺方法，其核心在于利用质子交换膜与涂有催化剂层的碳布材料进行热压层叠的方式粘合，从而达到连续化生产的目的；

已授权的胜光公司中国专利200510073111.6提供了一种在质子交换膜上下表面分别贴覆板架的方式使质子交换膜得到刚性的支撑，利用该质子交换膜上下表面的板架以外的区域进行催化剂层的复合，由于板架的刚性夹持，使催化剂层复合的过程中，从而得到3层CCM组件；

已授权的3M公司的美国专利7432009提供了一种连续化制造膜电极组件的工艺方法，将催化剂层或者是涂有催化剂的气体扩散电极用辊切的方式切成所需规格，然后利用真空传输带将阴阳极的催化剂层传输至热压位，将它们与质子交换膜进行对位热压，从而制备膜电极组件。

上述发明中没有解决在催化剂涂覆或热压的过程中引起质子交换膜的尺寸变形及其导致催化剂层的复合缺陷这些问题，使得CCM产品的可批量化制造的稳定性降低，最终也将影响到其性能和成本，因此，如何提高CCM产品的可批量制造性是各个燃料电池厂商的首要问题。

发明内容

本发明的目的旨在解决提高燃料电池核心组件的可连续化批量制造问题，提供一种燃料电池三层核心组件(3-CCM)的连续化制造方法，从而降低燃料电池的成本。

本发明的技术方案是：

一种燃料电池三层核心组件的连续化制造方法(参见附图1、图2)，其步骤至少包括如下：

1)通过质子交换膜放卷位1和第1保护膜放卷工位12将质子交换膜2和第1保护膜4进行放卷，通过第1贴合工位3将两者进行贴合；

2)将步骤1)中的两者贴合物通过第1催化剂复合工位5，使得第1催化剂层6与质子交换膜2上没有贴合的一侧进行复合，并且通过第1烘干工位7进行烘干；

3)在第2贴合工位9将第2保护膜10贴合至步骤2)中第1催化剂层6的一侧，再利用第2保护膜收卷工位13将第1保护膜4进行排废收卷；

4)当位置传感器11探测已复合好的第1催化剂层6的位置后，发出指令给第2催化剂复合工位14，让其在质子交换膜的另一侧进行第2催化剂层15的对位复合，使得第1催化剂层6与第2催化剂层15的位置关系为在质子交换膜2的两侧对称；

5)步骤4)进行完后，通过第2烘干工位16进行烘干，即得到燃料电池三层核心组件，利用3-CCM收卷工位17对带有第2保护膜10的燃料电池三层核心组件成品收卷。