氢燃料电池膜电极生产中常见的涂布工艺

氢燃料电池膜电极生产中常见的涂布工艺

氢燃料电池作为清洁能源的重要发展方向，其核心零部件膜电极的生产技术备受关注。涂布工艺是膜电极生产的关键环节之一，直接影响到电池的性能和寿命。本文将介绍几种常见的涂布工艺及其特点，帮助读者深入了解这一重要技术环节。

作为燃料电池的核心零部件，膜电极是由质子交换膜、催化剂层、边框以及扩散层组成，其中催化剂是通过涂布工艺涂覆在质子交换膜两侧，要能够保证催化层厚度均匀，不能出现裂纹、颗粒、开泡、边缘效应、锯齿等缺陷。目前批量化生产的涂布工艺主要有刮刀式、辊涂转移式和狭缝挤压式等。

刮刀式涂布

工作原理如下图所示，薄膜基材经过涂布辊并直接与浆料料槽接触，过量的浆料涂在薄膜基材上，在基材通过涂辊与刮刀之间时，刮刀与基材之间的间隙决定了涂层厚度，同时将多余的浆料刮掉回流，并由此在基材表面形成一层均匀的涂层。

刮刀类型主要逗号刮刀。逗号刮刀是涂布头中的关键部件之一，一般在圆辊表面沿母线加工成形似逗号的刃口，这种刮刀具有高的强度和硬度，易于控制涂布量和涂布精度，适用于高固含量和高黏度的浆料。

（逗号刮刀式涂布工艺示意图）

辊涂转移式涂布

涂辊转动带动浆料，通过逗号刮刀间隙来调节浆料转移量，并利用背辊和涂辊的转动将浆料转移到基材上，工艺过程如下图所示。辊涂转移涂布包含两个基本过程：

• 涂布辊转动带动浆料通过计量辊间隙，形成一定厚度的浆料层;
• 一定厚度的浆料层通过方向相对的涂辊与背辊转动转移浆料到薄膜材上形成涂层。

（辊涂刮刀转移式涂布工艺示意图）

狭缝挤出式涂布

作为一种精密的湿式涂布技术，如下所示，工作原理为涂布液在一定压力一定流量下沿着涂布模具的缝隙挤压喷出而转移到基材上。

相比其它涂布方式，具有很多优点，如涂布速度快、精度高、湿厚均匀;涂布系统封闭，在涂布过程中能防止污染物进入，浆料利用率高、能够保持浆料性质稳定，可同时进行多层涂布。并能适应不同浆料粘度和固含量范围，与转移式涂布工艺相比具有更强的适应性。

（狭缝挤出式涂布工艺示意图）

要形成稳定均匀的涂层，涂布过程中就需要同时满足这几个条件：

(1)浆料性质稳定，不发生沉降，粘度、固含量等不变化。

(2)浆料上料供应稳定，在模头内部形成均匀稳定的流动状态。

(3)涂布工艺在涂布窗口范围内，在模头与涂辊之间形成稳定的流场。

(4)走薄膜稳定，不发生走带滑动，严重抖动和褶皱。

在实际批量生产中，工艺对产品的质量影响非常大，燃料电池可以借鉴十几年前锂电池的发展，锂离子动力电池的规模化生产已经走过了快速成长的阶段，伴随着其生产工艺的不断提升，锂离子电池的能量密度和安全性也不断提高，工艺的进步和成熟使市场产品的性能不断提升。

下面是宝马汽车电芯生产过程，电芯的生产同样需要薄膜制备、正负极材料涂布等工艺，而锂电池的工艺已很成熟，可以供大家观赏学习。