一种连续制备燃料电池气体扩散层的装置及方法与流程

本发明涉及新能源燃料电池技术领域，尤其涉及一种连续制备燃料电池气体扩散层的装置及方法。

背景技术：

燃料电池因为能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式，但是燃料电池的耐久性及高昂的成本是目前制约燃料电池商用化发展的一大瓶颈。燃料电池膜电极是燃料电池电堆的核心部件，它由质子交换膜、催化剂、气体扩散层组成。气体扩散层在其中起到电子传导、收集电流、导气、排水、支撑膜电极的作用。目前影响气体扩散层发展的主要因素为成本及工艺。

燃料电池的气体扩散层由疏水层及微孔层组成。疏水层基底材料需要具备电子传导能力、需要有疏松多孔易于气体传导的结构、需要具备导水等特性，通常选用石墨化碳纸、碳纤维纸或石墨化碳布等作为气体扩散层的主要疏水层材料。其中碳纤维纸的应用最为广泛。微孔层主要选用导电碳黑均匀涂覆在经过疏水处理的碳纤维纸表面，经过高温烧结固化制成。涂覆方式有丝网印刷、静电纺丝、喷印刷涂和涂覆成膜方式，其中丝网印刷方式应用最为广泛。微孔层浆料通过刮涂的方式透过丝网板印刷到碳纤维纸上，丝网印刷方式来源于传统印刷术，可以通过调节丝网板的目数与厚度，达到控制微孔层浆料的印刷厚度的目的。

但丝网印刷方式涂覆气体扩散层在商业化上不能应用的主要原因是生产工艺不连续。因丝网印刷机受丝网板尺寸影响，只能在固定尺寸上进行印刷，疏水层原料碳纸需要人工或手动进行更换，因此如何提高气体扩散层的制备生产节拍，是现阶段需要突破的难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种连续制备燃料电池气体扩散层的装置及方法，以解决燃料电池气体扩散层连续制备的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种连续制备燃料电池气体扩散层的装置，所述装置包括：

上料端传送带，通过第一电机驱动而连续从原料碳纸支架上输送原料碳纸；所述上料端传送带与第一真空泵连接；

丝网印刷机，设置在所述上料端传送带末端，用于对所述原料碳纸进行涂覆以得到微孔层碳纸；

下料端传送带，设置在所述丝网印刷机的输出端，所述下料端传送带上依次设置真空烘箱和高温气氛烘箱，所述下料端传送带在第二电机驱动下输送所述微孔层碳纸依次经过所述真空烘箱和高温气氛烘箱，得到气体扩散层；所述下料端传送带与第二真空泵连接；

收卷机，设置在所述下料端传送带末端，用于所述气体扩散层的收卷；

同步控制器，所述同步控制器控制所述第一电机和所述第二电机同步启停。

可选地，所述上料端传送带固定在上料端传送支架上，所述上料端传送带为表面设置有抽真空孔的第一双层履带，所述第一双层履带与所述第一真空泵相连。

可选地，所述下料端传送带支撑在下料端传送支架上，所述下料端传送带为表面设置有抽真空孔的第二双层履带，所述第二双层履带与所述第二真空泵相连。

可选地，所述丝网印刷机包括：

工作台，设置在所述原料碳纸运行平面下方，具有上升、下降两种状态，所述原料碳纸在生产线上移动时所述工作台处于下降状态，所述原料碳纸在生产线上静止时所述工作台上升至与所述原料碳纸接触并真空吸附所述原料碳纸；

第三真空泵，与所述工作台连接，在所述工作台上升后对所述工作台抽真空以吸附所述原料碳纸在所述工作台表面；

丝网板，设置在所述原料碳纸运行平面上方，能够沿丝网支架下降并贴合到所述工作台上的所述原料碳纸上；

自动上料池，设置在所述原料碳纸运行平面上方，能够沿所述丝网支架下降至所述丝网板上以提供微孔层浆料；

绝缘涂墨刀，设置在所述原料碳纸运行平面上方，能够沿所述丝网支架下降至所述丝网板上以涂覆所述微孔层浆料；

工作位摄像头，设置在所述丝网支架上并位于所述丝网印刷机输入端，用于检测所述原料碳纸是否到位，并发送到位信号给所述同步控制器；

校准摄像头，设置在所述丝网支架上并位于所述丝网印刷机输出端，当所述原料碳纸上涂覆前后的交接线与所述输出端的所述工作台边缘对齐时，所述校准摄像头发送校准信号给所述同步控制器；

所述同步控制器同时接收到所述到位信号和所述校准信号后，同步控制所述第一电机和所述第二电机的停止。

可选地，所述真空烘箱的真空度为0.1mpa。

可选地，所述高温气氛烘箱为充氮高温烘箱，温度为350℃。

可选地，所述第一真空泵和所述第二真空泵分别控制所述上料端传输带和所述下料端传送带的真空度范围为0.05-0.15mpa，所述第三真空泵控制所述工作台的真空度范围为0.25-0.35mpa。

本发明还提供一种应用所述连续制备燃料电池气体扩散层的装置的连续制备燃料电池气体扩散层的方法，所述方法包括以下步骤：

s1,所述同步控制器同步控制所述第一电机和所述第二电机分别驱动所述上料端传送带和所述下料端传送带运行，所述上料端传送带和所述下料端传送带同时开启真空吸附，连续输送原料碳纸；

s2，所述上料端传送带连续输送所述原料碳纸进入所述丝网印刷机并到位后，所述同步控制器同步控制所述第一电机和所述第二电机停止运行，所述原料碳纸在所述丝网印刷机中被涂覆以得到所述微孔层碳纸；

s3,涂覆完成后，所述同步控制器同步控制所述第一电机和所述第二电机再次运行；所述下料端传送带连续输送所述微孔层碳纸离开所述丝网印刷机并依次经过所述真空烘箱和所述高温气氛烘箱进行烘干，得到气体扩散层，收卷；

s4，重复执行步骤s1-s3，连续制备所述气体扩散层。

可选地，步骤s2中所述到位通过如下方式检测：

工作位摄像头对所述原料碳纸进行到位检测并发送所述到位信号给所述同步控制器，校准摄像头对所述原料碳纸上涂覆前后的交接线进行校准检测并发送所述校准信号给所述同步控制器，所述同步控制器同时接收到所述到位信号和所述校准信号后同步控制所述第一电机和所述第二电机停止。

可选地，所述涂覆定时执行。

本发明的有益效果：

(1)本发明考虑到原料碳纸的拉伸强度较大，断裂强度较差的因素，通过将上料端传送带和下料端传送带分别与第一真空泵和第二真空泵相连，对其上输送的原料碳纸提供真空吸附，保证了原料碳纸在气体扩散层制备过程中的稳定连续输送。

(2)本发明将下料端传送带设置在所述丝网印刷机输出端，下料端传送带上依次设置真空烘箱和高温气氛烘箱，实现了原料碳纸涂覆、真空烘干、高温烘干以及最后收卷的连续性工艺流程，整个燃料电池气体扩散层制备过程不需要人工，加快了气体扩散层制备的生产节拍，更有利于推进大批量连续制备气体扩散层的商业化进程。

(3)本发明通过同步控制器控制第一电机和第二电机的同步启停，有利于加快生产节拍，实现丝网印刷机中连续涂覆。

附图说明

图1是本发明提供的连续制备燃料电池气体扩散层的装置示意图；

图2是本发明提供的连续制备燃料电池气体扩散层的方法流程图。

图中：

1.原料碳纸支架；2.上料端传送支架；3.上料端传送带；4.第一电机；

5.第一真空泵；6.丝网印刷机；7.工作台；8.第三真空泵；

9.丝网板；10.丝网支架；11.自动上料池；12.绝缘涂墨刀；

13.工作位摄像头；14.校准摄像头；15.同步控制器；

16.下料端传送带；17.下料端传送支架；

18.第二电机；19.第二真空泵；20.真空烘箱；21.高温气氛烘箱；

22.收卷机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本实施例首先提供一种连续制备燃料电池气体扩散层的装置，采用丝网印刷的方式对原料碳纸进行微孔层涂覆，烘干固化后得到燃料电池气体扩散层，如图1所示，该连续制备燃料电池气体扩散层的装置包括：

上料端传送带3，由第一电机4驱动，连续从原料碳纸支架1上输送原料碳纸；上料端传送带3与第一真空泵5连接，原料碳纸运行过程中上料端传送带3真空吸附原料碳纸，保证了原料碳纸的稳定运行。

丝网印刷机6，设置在上料端传送带3的末端，用于对原料碳纸进行涂覆以得到微孔层碳纸。

下料端传送带16，设置在丝网印刷机6的输出端，下料端传送带16上依次设置真空烘箱20和高温气氛烘箱21，下料端传送带16在第二电机18驱动下连续输送微孔层碳纸离开丝网印刷机6，之后依次经过真空烘箱20的真空烘干和高温气氛烘箱21的高温烘干后得到气体扩散层，最后气体扩散层在下料端传送带16的末端进行收卷。其中下料端传送带16与第二真空泵19连接，原料碳纸运行过程中真空吸附原料碳纸。

收卷机22，设置在下料端传送带16的末端，对下料端传送带16上的气体扩散层进行收卷。

同步控制器15，可以控制第一电机4和第二电机18的同步启停。

同样地，原料碳纸支架1上也是通过卷绕的方式逐渐释放原料碳纸。

需要解释说明的是，原料碳纸是预先经过疏水处理的具有疏水层的材料，微孔层均匀涂覆在疏水层表面后经过高温烧结固化最后形成燃料电池的气体扩散层。

上述装置考虑到原料碳纸的拉伸强度较大，断裂强度较差的因素，通过将上料端传送带3和下料端传送带16分别与第一真空泵5和第二真空泵19相连，对其上输送的原料碳纸提供真空吸附，保证了原料碳纸在气体扩散层制备过程中的稳定连续输送。下料端传送带16设置在丝网印刷机6的输出端，并且在下料端传送带16上依次设置真空烘箱20和高温气氛烘箱21，实现了原料碳纸涂覆、真空烘干、高温烘干以及最后收卷的连续性，整个过程不需要人工，加快了燃料电池气体扩散层制备的生产节拍，更有利于推进大批量连续制备气体扩散层的商业化进程。通过同步控制器15控制第一电机4和第二电机18的同步启停，解决了气体扩散层制备过程中的生产节拍问题，实现丝网印刷机6中的连续涂覆。

上述的上料端传送带3和下料端传送带16为了实现对原料碳纸、微孔层碳纸和气体扩散层三部分的同步稳定连续输送，采用了三个真空泵，分别为第一真空泵5、第二真空泵19和第三真空泵8，结合图1，第一真空泵5与上料端传送带3相连，第二真空泵19与下料端传送带16相连，第三真空泵8与丝网印刷机6中的工作台7相连，第一真空泵5和第二真空泵19开启运行时设置真空度范围为0.05-0.15mpa，第三真空泵19对工作台7抽真空控制工作台7的真空度范围为0.25-0.35mpa，真空吸附方式可以稳定吸附原料碳纸和气体扩散层，避免生产过程中原料碳纸或气体扩散层因刮碰、偏离原位而发生碎裂。上料端传送带3与下料端传送带16存在的区别在于，下料端传送带16整体选用的材料需耐受350℃的高温烘烤，这样下料端传送带16可以带动微孔层碳纸在真空烘箱20和高温气氛烘箱21中缓慢移动，进行真空烘干和高温烘干，实现微孔层粘合剂固化，得到气体扩散层。微孔层碳纸在真空烘箱20和高温气氛烘箱21内的通过时间由下料端传送带16的长度及传送速度两个变量制约。

可选地，真空烘箱20内的真空度为0.07mpa，高温气氛烘箱21为连续充氮高温烘箱，烘干温度为350℃。

为了保证上料端传送带3和下料端传送带16均在同一个水平面内运行，上料端传送带3固定在上料端传送支架2上，下料端传送带16固定在下料端传送支架17上，分别由第一电机4和第二电机18提供动力，同步驱动运行。上料端传送带3为表面设置有抽真空孔的第一双层履带，第一双层履带与第一真空泵5相连；下料端传送带16为表面设置有抽真空孔的第二双层履带，第二双层履带与第二真空泵19相连。优选地，第一双层履带和第二双层履带上按照5-10mm间隔分布抽真空孔。

根据空间需要，下料端传送带16可以为两段式或三段式，同时增设相应数量的下料端传送支架17，均通过第二电机18提供动力。

为了实现上料端传送带3和下料端传送带16的同步稳定运行，本发明中将第一电机4和第二电机18均接入同步控制器15，第一电机4和第二电机18根据同步控制器15的指令同步启动和关停，实现原料碳纸上料端到下料端的同步正向运行、停止、逆向运行或急停。

本发明中的丝网印刷机6是实现气体扩散层制备的关键部分，也是控制中心，丝网印刷机6在印刷的过程中，第一电机4和第二电机18是停止工作的，一次印刷完成之后，第一电机4和第二电机18同步启动，将已经印刷的部分即微孔层碳纸移动到下料端传送带16并将下一段原料碳纸移动到丝网印刷机6中继续进行下一次印刷。具体地，如图1中虚线框所示，该丝网印刷机6包括：

工作台7，设置在原料碳纸运行平面下方，具备气动式上升下降功能，原料碳纸在生产线上运行时，工作台7处于下降状态，避免刮蹭原料碳纸；原料碳纸静止时，工作台7上升到与原料碳纸接触并真空吸附原料碳纸，开始涂覆印刷；原料碳纸再次开始运行时，工作台7解吸附后下降。

第三真空泵8，与工作台7连接，工作台7上升到与原料碳纸接触后对工作台7抽真空以吸附原料碳纸在工作台7表面，保证原料碳纸在涂覆过程中的稳定性。该第三真空泵8为工作台7提供的真空度范围为0.25-0.35mpa，能够实现原料碳纸在工作台7上的贴合平整。

丝网板9，设置在原料碳纸运行平面上方，工作时能够沿丝网支架10下降并贴合到工作台7上的原料碳纸上；

自动上料池11，设置在原料碳纸运行平面上方，工作时沿丝网支架10下降至丝网板9上，并为丝网板9提供足够的微孔层浆料；

绝缘涂墨刀12，设置在原料碳纸运行平面上方，工作时能够沿丝网支架10下降至丝网板9上以涂覆微孔层浆料。绝缘涂墨刀12在丝网板9上来回移动至微孔层浆料涂覆完全；

一次涂覆或印刷完成后，丝网板9、自动上料池11和绝缘涂墨刀12自动停止并上升到位。

工作位摄像头13，设置在丝网支架10上并位于丝网印刷机6输入端，用于检测原料碳纸是否运行到位，当检测到原料碳纸进入丝网印刷机6中后，发送到位信号给同步控制器15；

校准摄像头14，设置在丝网支架10上并位于丝网印刷机6输出端，用于判断原料碳纸上印刷前后的交接线是否与工作台7的输出端边缘对齐，当对齐后，校准摄像头14发送校准信号给同步控制器15；

同步控制器15在同时接收到工作位摄像头13的到位信号和校准摄像头14的校准信号后，同步控制第一电机4和第二电机18的停止，丝网印刷机6涂覆印刷。涂覆是定时设置执行的，当涂覆时间截止，同步控制器15同步控制第一电机4和第二电机18的再次启动，进行下一个工位的印刷或涂覆。

其中同步控制器15的使用，可以实现上料端传送带3和下料端传送带16的同步正向运行、反向运行、停止或急停。由同步控制器15同步控制第一电机4和第二电机18的启停，主要是考虑碳纸的拉伸强度较大，断裂强度较差的因素，尽量保证碳纸的平稳运行；同步控制器15在同时接收到工作位摄像头13的到位信号和校准摄像头14的校准信号后同步控制第一电机4和第二电机18的停止，是为了保证原料碳纸上涂覆的连续性，避免涂覆不到或重复涂覆。

上述丝网印刷机6中，工作台7、丝网板9、自动上料池11和绝缘涂墨刀12的上升和下降均是通过各自驱动机构实现的，并且采用定时自动驱动的方式上升或下降涂覆微孔层浆料。

可选地，丝网板9可选用复合材料、金属材料和聚四氟乙烯等材料。

本发明中连续丝网印刷制备气体扩散层的关键在于合理的分布丝网印刷两次之间的连贯，通过工位摄像头13和校准摄像头14进行红外扫描，判断两次印刷边缘的位置，避免碳纸同一位置的重复印刷。在丝网印刷机6内部，一次印刷完成后，首先是丝网板9、自动上料池11和绝缘涂墨刀12的上升离开工作台7，工作台7真空吸附解除并下降，原料碳纸开始正向运行；当工作台7输出端边缘与微孔层碳纸末端边缘对齐时原料碳纸停止运行，工作台7再次上升并开启真空吸附原料碳纸，丝网板9、自动上料池11和绝缘涂墨刀12下降，第二次印刷开始。重复上面的印刷过程实现连续自动工艺。

基于上述的连续制备燃料电池气体扩散层的装置，本发明还提供一个连续制备燃料电池气体扩散层的方法的实施例，如图2所示流程，连续制备燃料电池气体扩散层的方法包括以下步骤：

s1,同步控制器15同步控制第一电机4和第二电机18分别驱动上料端传送带3和下料端传送带16运行，上料端传送带3和下料端传送带16同时开启真空吸附，连续输送原料碳纸；

s2，上料端传送带3连续输送原料碳纸进入丝网印刷机6并到位后，同步控制器15同步控制第一电机4和第二电机18停止运行，原料碳纸在丝网印刷机6中被涂覆以得到微孔层碳纸；

s3,涂覆完成后，同步控制器15同步控制第一电机4和第二电机18再次运行；下料端传送带16连续输送微孔层碳纸离开丝网印刷机6并依次经过真空烘箱20和高温气氛烘箱21进行烘干固化，得到气体扩散层，收卷；

s4，重复执行步骤s1-s3，连续制备燃料电池气体扩散层。

上述步骤s2中，上料端传送带3连续输送原料碳纸进入丝网印刷机6，是否到位通过如下方式检测：

工作位摄像头13对原料碳纸进行到位检测并发送到位信号给同步控制器15，校准摄像头14对原料碳纸上涂覆前后的交接线进行校准检测并发送校准信号给同步控制器15，同步控制器15同时接收到到位信号和校准信号后同步控制第一电机4和第二电机18停止。

涂覆过程采用定时机制，原料碳纸运行停止后自动开启涂覆，工作台7上升在接触原料碳纸并开启真空吸附，丝网板9、自动上料池11和绝缘涂墨刀12自动下降到位并开始涂覆直至涂覆完成后上升到位，然后工作台7解真空吸附并下降；同步控制器15同步控制第一电机4和第二电机18启动，上料端传送带3和下料端传送带16开始同步运行，执行下一次的印刷涂覆。

在定时机制设计中，一方面丝网印刷机6要有定时涂覆设置，另一方面，同步控制器15要有计时开始设置，并且同步控制器15的计时时间要大于定时涂覆时间，以保证定时涂覆的完成。

上述方法中，同步控制器15同时采集了工作位摄像头13和校准位摄像头14的信息，通过红外扫描方式判断印刷前后交接线和工作台7上输出端边缘的对齐情况，避免了原料碳纸在同一位置的重复印刷或遗漏。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。