一种燃料电池双极板涂层卷对卷连续沉积设备的制作方法

1.本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池双极板涂层卷对卷连续沉积设备。


背景技术：

2.燃料电池作为一种通过电化学反应直接产生电能的发电装置已经得到诸多机构和人员的关注。质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，简称pemfc）以氢气为燃料进行发电，不受卡诺定理的限制，能量转换效率高，环境污染小，结构简单，运行平稳，并且产物为水无污染，对环境十分友好，可在很大程度上改善环境和资源问题，其应用范围已经包括汽车，无人机、固定电站等，在各个领域均具有广阔的应用前景。在质子交换膜燃料电池当中，双极板在电堆中承担着收集电子、分配反应气体、排出反应生成水、支撑膜电极等功能，占据了电堆重量的80%以及电堆成本的30%以上，是整个燃料电池系统中最为重要的零部件。因此，双极板需具备优良的机械性能，导电性能和耐蚀性能，同时其加工成本要尽量低，才能够推动规模化生产，满足日益增长的能源需求。
3.而质子交换膜燃料电池双极板材料主要为金属、石墨以及复合材料等。相较于石墨双极板，金属双极板具有优异的导电导热性以及良好的机械性能，以金属双极板装配而成的电堆具有功率密度高、冷启动快、抗振性能好、适合于大批量制造等优势，已作为燃料电池极板材料的首选。但是，金属双极板在燃料电池的高温及酸性环境中易发生基材腐蚀溶解，其耐腐蚀和强导电性能还有待进一步提高，进而延长燃料电池的使用寿命。
4.目前研究人员已经开发出了多种金属双极板改性涂层，包括贵金属涂层、碳基涂层以及金属碳氮化物涂层，并设计了多种多层复合结构，极大地改善了金属双极板的耐蚀导电性能。而这些涂层都是直接涂覆在成形后的双极板上，不仅会因为双极板本身的凹凸状结构导致双极板侧壁涂层厚度的不均匀，同时极板阴阳两极表面的涂层一致性也难以控制，采用这种传统的冲压，焊接，涂层，密封工艺会因为加工工序的繁琐而造成生产效率的下降以及良品率的降低。因此，采用卷对卷沉积设备直接在金属箔材上完成导电耐蚀预涂层的制备，而后经过冲压，焊接，密封，不仅会改善涂层的均匀性，并且将极大地提高涂层生产效率，降低涂层生产成本。
5.不过，目前卷对卷沉积工艺主要应用于半导体电子行业，且绝大部分都是单面镀膜，需多次抽真空完成涂层制备，不仅造成时间成本的增加，还会导致涂层受到大气污染，而针对燃料电池双极板预涂层的沉积工艺以及沉积设备则少之又少。因此，开发一种用于燃料电池金属双极板涂层卷对卷连续沉积设备对提高生产效率，降低生产成本具有重要意义。
6.

技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种燃料电池双极板涂层卷对卷连续沉积设备，以提高燃料
电池双极板涂层的生产效率，降低生产成本。
8.本发明的技术方案如下：本发明的一种燃料电池金属双极板涂层卷对卷连续沉积设备，其特征在于，包括依次设置的放卷室、镀膜一室、镀膜二室和收卷室；每两个相邻的腔室连接处设置有隔气装置，所述隔气装置内设有供金属箔材通过的狭缝；所述放卷室中装有放卷辊；所述镀膜一室内设有至少两个一室冷却辊，并且每个腔室内至少有一对相邻的所述冷却辊的转动方向保持相反；所述镀膜二室内分别设有至少两个二室冷却辊，并且每个腔室内至少有一对相邻的所述冷却辊的转动方向保持相反；在每一个所述一室冷却辊和所述二室冷却辊的外侧，分别呈圆弧型排布设有若干个一室真空镀膜装置和若干个二室真空镀膜装置，所有所述真空镀膜装置在朝向所述一室冷却辊和所述二室冷却辊的一面均留有开口，用于向缠绕在所述冷却辊上的所述金属箔材上完成沉积镀膜；所述收卷室中装有收卷辊；带状的所述金属箔材在所述放卷室放卷后，在动力装置的驱动下，依次缠绕穿过所述镀膜一室和所述镀膜二室，最后在所述收卷室内收卷。
9.与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明用于一次性连续地完成金属箔材两侧多层预涂层的制备，极大地提高了双极板涂层的制备效率，同时改善了双极板表面涂层的均匀性，降低了传统的单面卷对卷涂层沉积设备因抽气放气损失的时间，同时避免了大气对涂层的污染；采用两个镀膜腔室可以满足不同的涂层工艺生产要求，实现涂层的多功能化，多个镀膜冷却辊的配置可以根据双极板的实际应用环境和性能要求，在金属箔材两侧制备不同种类或结构的涂层，实现双极板涂层的针对性设计与制备。
附图说明
10.图1为本发明的卷对卷连续沉积设备示意图。
11.图2为本发明的卷对卷连续沉积设备镀膜一室冷却辊布置示意图。
12.图3为本发明的卷对卷连续沉积设备镀膜二室冷却辊布置示意图。
13.图中标记说明：1-放卷室，101-放卷辊，102-放卷导向辊；2-镀膜一室，201-一室加热装置，202-一室导向辊，203-一室冷却辊，204-一室真空镀膜装置，205-等离子体清洗装置；3-镀膜二室，301-二室加热装置，302-二室导向辊，303-二室冷却辊，304-二室真空镀膜装置；4-收卷室，401-收卷辊，402-收卷导向辊，403-冷却装置；506-等离子体，507-磁控阴极，508-靶材，509-隔板；5-隔气装置，6-金属箔材。
具体实施方式
14.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
15.如图1所示。一种燃料电池金属双极板涂层卷对卷连续沉积设备，包括依次设置的放卷室（1）、镀膜一室（2）、镀膜二室（3）和收卷室（4）；每两个相邻的腔室连接处设置有隔气装置（5），所述隔气装置（5）内设有供金属箔材（6）通过的狭缝；所述放卷室（1）中装有放卷辊（101）；所述镀膜一室（2）内设有至少两个一室冷却辊（203），并且每个腔室内至少有一对
相邻的所述冷却辊的转动方向保持相反；所述镀膜二室（3）内分别设有至少两个二室冷却辊（303），并且每个腔室内至少有一对相邻的所述冷却辊的转动方向保持相反；在每一个所述一室冷却辊（203）和所述二室冷却辊（303）的外侧，分别呈圆弧型排布设有若干个一室真空镀膜装置（204）和若干个二室真空镀膜装置（304），所有所述真空镀膜装置在朝向所述一室冷却辊（203）和所述二室冷却辊（303）的一面均留有开口，用于向缠绕在所述冷却辊上的所述金属箔材（6）上完成沉积镀膜；所述收卷室（4）中装有收卷辊（401）；带状的所述金属箔材（6）在所述放卷室（1）放卷后，在动力装置的驱动下，依次缠绕穿过所述镀膜一室（2）和所述镀膜二室（3），最后在所述收卷室（4）内收卷，完成涂层卷对卷连续沉积。
16.进一步地，如图2和图3所示，每两个相邻的所述一室真空镀膜装置（204）或每两个相邻的所述二室真空镀膜装置（304）之间，分别设有隔板（509）；所述隔板（509）垂直于所述冷却辊的外表面，所述隔板（509）和所述冷却辊之间留有仅供所述金属箔材通过的间隙，使得每组真空镀膜装置能够形成相对独立的密闭空间。
17.进一步地，如图2所示，在每一组所述一室真空镀膜装置（204）前，还设有一个等离子体清洗装置（205），所述等离子体清洗装置（205）和所述一室真空镀膜装置（204）之间也采用所述隔板（509）隔开。所述等离子体清洗装置（205）在一定电压作用条件下在清洗装置和冷却辊之间产生高能等离子体，对贴附在冷却辊表面的金属箔材进行离子轰击，除去金属箔材表面的杂质以及氧化物。
18.进一步地，如图2和图3所示，每一个所述一室真空镀膜装置（204）和二室真空镀膜装置（304）内，分别设有等离子体发生器（506）和磁控阴极（507），所述磁控阴极（507）上设有靶材（508）。在一定电压条件下，所述等离子体发生器（506）在所述真空镀膜装置和所述冷却辊之间产生等离子体，轰击所述靶材（508）使之溅射出靶材原子，靶材原子沉积到所述金属箔材（6）上完成镀膜。
19.进一步地，在所述一室真空镀膜装置（204）内，所述靶材（508）为金属靶材，所述磁控阴极（507）为磁控溅射平面阴极或者柱状阴极，用于在金属箔材表面沉积一层或多层致密耐蚀层；在所述二室真空镀膜装置（304）内，所述靶材（508）为金属、非金属或者金属碳/氮化物靶材，所述磁控阴极（507）为磁控溅射平面阴极、柱状阴极或者等离子体辅助化学气相沉积放电电极，用于在致密耐蚀层的表面沉积一层或多层纳米导电层。
20.进一步地，所述靶材（508）的表面与缠绕在对应的所述冷却辊上的所述金属箔材（6）的外表面之间的距离为5～30 cm。
21.进一步地，在所述镀膜一室（2）和镀膜二室（3）的入口处分别设有一室加热装置（201）和二室加热装置（301），用于干燥所述金属箔材。优选地，所述一室加热装置（201）和二室加热装置（301）分别为丝状、带状、棒状或者红外加热器，架设在所述金属箔材的两侧，其宽度不低于所述金属箔材的宽度。
22.进一步地，所述收卷室（4）的狭缝入口处接有一组冷却装置（403），与腔体外部的冷媒相连，用于冷却所述金属箔材。
23.进一步地，所述放卷室（1）中设有若干放卷导向辊（102），所述镀膜一室（2）中设有若干一室导向辊（202），所述镀膜二室（3）中设有若干二室导向辊（302），所述收卷室（4）中设有若干收卷导向辊（402），这些导向辊用于保证金属箔材稳定传输。
24.进一步地，所述放卷室（1）、镀膜一室（2）、镀膜二室（3）和所述收卷室（4）内分别设
有独立的真空抽气装置；所述镀膜一室（2）工作气压0.1～10 pa，镀膜二室（3）工作气压0.1～100 pa。
25.本发明的卷对卷连续沉积设备生产过程为：在所述放卷辊（101）上放卷的所述金属箔材（6）在驱动力的作用下进入所述镀膜一室（2）；经过所述一室加热装置（201）对其进行加热烘烤，接着所述等离子体清洗装置（205）对其表面进行等离子体清洗除去表面的杂质污染，而后所述一室真空镀膜装置（204）在其两面分别进行多层致密耐蚀层的沉积；所述金属箔材（6）进入镀膜二室（3）内，所述二室加热装置（301）对其进一步加热烘烤活化表面，随后所述二室真空镀膜装置（304）在其两面的多层致密耐蚀层的外表面进行纳米导电层的沉积；最后，所述金属箔材（6）进入所述收卷室（4），经过所述冷却装置（403）冷却后环绕在所述收卷辊（401）上收卷，完成涂层的制备。
26.本发明的卷对卷连续沉积设备能够一次性连续地完成金属箔材两侧多层涂层的均匀沉积，可应用于燃料电池双极板表面导电耐蚀层的连续制备，从而提高燃料电池双极板的生产效率并降低其生产成本。