一种多结构气体扩散层连续制备用设备的制作方法

1.本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种多结构气体扩散层连续制备用设备。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，其核心部件膜电极三合一通常由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜通过热压工艺制备而成。
3.气体扩散层一般由基底层和微孔层构成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是影响电极性能的关键部件之一；理想的气体扩散层应满足3个条件：良好的排水性、良好的透气性和良好的导电性。基底层一般有碳纸或者含碳膜两种材料，微孔层通常是为了改善基底层的孔隙结构而在其表面制作的一层碳粉层，针对不同基底层的材料需要采用不同的制备工艺，例如针对碳纸形式的基底层，由于其为独立的单片层，现有技术中，一般通过丝网印刷或者喷涂的方式实现气体扩散层中微孔层的制备。
4.进一步的，现有技术中，气体扩散层的微孔层主要作用是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使气体和水发生再分配，防止电极催化层“水淹”，同时防止催化层在制备过程中渗漏到基底层；其通常由碳粉和少量的憎水剂分散后涂覆在碳基层表面，因此即使在未被实施防水处理的状态下也具有防水性。然而过多的疏水，会造成mea的导电性变差，过多的亲水又导致气体扩散层排水性能较差，因此气体扩散层需在亲水和疏水性做出一定的平衡。
5.针对上述问题，通常需要对气体扩散层的层结构进行改造，即气体扩散层的涂刷并非传统的直接将一种混合浆料进行刷涂，或者采用一种混合浆料实现在碳基层上整面的刷涂，而是采用多种混合浆料实现分层刷涂或者每层涂层结构中具备不同种的混合浆料，针对上述刷涂条件，若采用现有的丝网印刷或者喷涂技术，则需要针对单片气体扩散层进行单独处理，即需要对每片气体扩散层进行一次性完整处理后才能进行下一片气体扩散层的处理，无疑加大了劳动力并且严重拖延了生产进度，进一步的，如何在此过程中实现每层中不同混合浆料的分级刷涂也未能得到有效解决。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种多结构气体扩散层连续制备用设备，其优点在于，可以针对单片层式气体扩散层实现连续化制备，并且可在连续化制备过程种制备多结构式气体扩散层。
7.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:一种多结构气体扩散层连续制备用设备，包括丝网印刷机、喷涂机以及烘箱，所述设备包括由伺服电机驱动可实现步进式传送的环形传送轨道，所述丝网印刷机以及喷涂机的数量均至少为一个，所述丝网印刷机、喷涂机以及烘箱均设置在环形传送轨道中并由环形传送轨道贯穿而过，沿所述环形传送轨道的传送方向，所述丝网印刷机以及喷涂机的后工位处均对应设置有烘箱；
8.所述喷涂机中位于印刷喷头的下方设有定制盖板，所述定制盖板包括供混合浆料通过的刷涂通口区和避免混合浆料通过的封闭区；
9.所述环形轨道上滑移有多个供气体扩散层安置的随行滑块，所述定制盖板由驱动电机控制转动并可转动置于随行滑块的正上方；
10.所述设备还包括实现气体扩散层置于随行滑块上准备刷涂的自动上料机构、完成刷涂后实现气体扩散层收纳存储的自动集料机构、以及沿所述环形传送轨道的传送方向，设计位于自动集料机构前工位处的激光测厚仪。
11.本发明进一步设置为：所述定制盖板包括呈波浪状的功能板，所述刷涂通口区均设置在波浪状功能板的最高峰处，所述封闭区均设置在波浪状功能板的最低峰处，所述定制盖板的一端设有与封闭区相通的可拆卸式集料盒，所述可拆卸式集料盒内均密封连接有抽料细管，所述刷涂通口区和封闭区的数量以及排布次序可依据混合浆料种类以及气体扩散层每层的刷涂要求而定。
12.本发明进一步设置为：所述随行滑块上均可拆卸设有连接工装，所述连接工装均包括供气体扩散层进入的开口端以及防止气体扩散层滑落的围挡边，所述围挡边内设有供气体扩散层侧边插入的限位槽，所述限位槽内均设有对气体扩散层限位作用的弹性限位挡片。
13.本发明进一步设置为：所述自动上料机构和自动集料机构均包括机架体，所述机架体内对称设有一双传送链轮链条组件，两个所述传送链轮链条组件上，并延机架体的高度方向均对应阵列设有多个对气体扩散层支撑的连接耳片，所述机架体上设有供气体扩散层输出至连接工装内的出口端以及供气体扩散层置入的进口端，所述自动上料机构的机架体上靠近进口端处设有对气体扩散层作用的推送组件；所述自动集料机构的推送组件设置在所述传送轨道上；
14.所述自动上料机构、自动集料机构和连接工装内均设有传感系统以实现对位作用，便于气体扩散层由自动上料机构的出口端进入连接工装的开口端，以及气体扩散层由连接工装的开口端进入自动集料机构的进口端。
15.本发明进一步设置为：所述推送组件包括机箱，所述机箱内设有驱动气缸，所述驱动气缸的伸缩杆上设有对气体扩散层作用的推送架。
16.本发明进一步设置为：所述自动上料机构和自动集料结构的机架体上均设有带刹脚轮，所述自动上料机构和自动集料结构的机架体上均设有由驱动电机控制的伸缩螺杆，所述传送轨道的机架板内设有与伸缩螺杆配合的限位螺孔。
17.本发明进一步设置为：所述传送轨道的机架板上延其高度方向阵列设有多组限位螺孔，多组所述限位螺孔的深度也呈由浅至深阶梯式设计，所述自动上料机构和自动集料结构的机架板上设有与限位螺孔数量一致的伸缩螺杆。
18.综上所述，本发明具有以下有益效果：
19.1、本设备可以针对单片层式气体扩散层实现连续化制备，通过环形轨道以及多块随行滑块的设计即可以实现气体扩散层的连续式重复刷涂并可以根据涂层数量在环形轨道种对应设置刷涂设备的数量，以实现不同浆料的连续化叠加刷涂，从而制备出多层结构的气体扩散层，此过程中激光测厚仪针对每刷完一个工序的气体扩散层执行厚度检测记录；另外本技术可以针对本背景技术中提出的“每层涂层结构中具备不同种的混合浆料”式
的多结构气体扩散层，设计了定制盖板，即通过定制盖板的通口区和封闭区限制了喷涂区域；另外本设备中同时具备丝网印刷机和喷涂机，并限制定制盖板设计处于喷涂机处，即限制多结构式气体扩散层可以利用丝网印刷机实现整面刷涂实现完整层面以提高工作效率，同时避免丝网版与定制盖板的抵触损坏，并通过喷涂机实现层结构中区域限制的喷涂；
20.在此过程中，伺服电机控制环形轨道的步进式运动可以保证整体涂刷的有序性和操作可控性；自动上料机构和自动集料结构则进一步加强本设备整体的智能化连续操作控制；
21.2、本设备中的定制盖板设置为呈波浪状的功能板，并且通口区处波浪状功能板的最高峰，封闭区处于波浪状功能板的最低峰处，此时在将浆料喷涂至通口区过程中，多余浆料可以顺延功能板的高峰“脊背”自然流落至低峰“凹陷地”内，形成供多余浆料的自然收集现象，之后再通过抽料细管作用下实现对浆料的抽取收集便于后续使用，减少浪费；可拆卸式集料盒可以从功能板上拆卸便于清理；
22.3、针对单片层式气体扩散层的制备，由于需要在基底层上直接进行刷涂，而基底层本身较脆弱，因此本领域往往需要将其张贴定位于金属薄板上再进行刷涂，即在气体扩散层的刷涂过程中，基底层限位于金属薄片上后形成待刷涂整体件，在本设备中，针对此种刷涂方式，在随行滑块上设计了供上述待刷涂整体件安置的连接工装，并且连接工装上设计开口端和围挡边，以及围挡边内设置限位槽，便于上述待刷涂整体件的放入以及在连接工装上位置固定，弹性限位挡片进一步实现对待刷涂整体件中金属薄板边缘区域的限位，避免刷涂过程中待刷涂整体件出现位移、晃动等现象影响气体扩散层刷涂区尺寸变化成为不合格品；
23.4、本设备的自动上料机构和自动集料机构均依靠传送链轮链条组件，以及连接耳片实现上述待刷涂整体件的安置以及上下运输，同时通过传感系统实现与连接工装之间的对位，最后通过推送组件实现待刷涂整体件由自动上料机构的出口端进入连接工装的开口端，以及气体扩散层由连接工装的开口端进入自动集料机构的进口端，机械机构简单，传送稳定，且可以实现智能化操作，方便快捷效率高；
24.5、本设备的自动上料机构和自动集料机构同时设置带刹脚轮以及伸缩螺杆等部件，即自动上料机构和自动集料机构均可以实现从本设备上的拆除以及撤离，即自动上料机构和自动集料机构均可以直接实现产品的运输工作；
25.6、本设备传送轨道上设置多组限位螺孔，并且多组限位螺孔的深度也呈由浅至深阶梯式设计，同时自动上料机构和自动集料机构中设置与限位螺孔配合且数量一致的伸缩螺杆，即自动上料机构和自动集料机构可以通过伸缩螺杆与限位螺孔的配合实现与设备的整体连接限位，同时与不同深度的限位螺孔的配合则可以控制其与传送轨道之间的距离，以满足多种实际场景的配合需求。
附图说明
26.图1是本设备的整体结构示意图；
27.图2是定制盖板的示意图；
28.图3是图2中a的局部放大图；
29.图4是连接工装的示意图；
30.图5是自动上料机构的结构示意图；
31.图6也是本设备的整体结构示意图，同时也是自动上料机构、自动集料结构的区别示意图，同时也是伸缩螺杆、环形传送轨道上随性螺孔的位置示意图；
32.图7是在环形传送轨道内的限位螺孔的深度呈由浅至深阶梯式设计的示意图；
33.图8是环形传送轨道的机架板上设置安装板以及螺纹孔的示意图；
34.图9是实施例1中所涂刷出气体扩散层结构；
35.图10是实施例2中所涂刷出气体扩散层结构；
36.图11是实施例3中所涂刷出气体扩散层结构。
37.图中：1、丝网印刷机；2、喷涂机；2-1、电磁式传感器；3、烘箱；4、环形传送轨道；4-1、随行滑块；4-2、限位螺孔；4-3、安装板；5、定制盖板；5-1、刷涂通口区；5-2、封闭区；5-3、集料盒；5-4、抽料吸管；5-5、功能板；6、连接工装；6-1、开口端；6-2、围挡边；6-3、限位槽；6-4、弹性限位挡片；6-5、通孔；7、自动上料机构；7-1、机架体；7-2、连接耳片；7-3、出口端；7-4、进口端；7-5、推送组件；7-5-1、机箱；7-5-2、推送架；7-6、带刹脚轮；7-7、伸缩螺杆；8、自动集料机构；9、激光测厚仪；10、气体扩散层；10-1、基底层；10-2、金属薄板。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
39.以下说明中，所述气体扩散层10均为将待刷涂的基底层10-1张贴限位于金属薄板10-2上形成的待刷涂整体件。
40.实施例1：一种多结构气体扩散层连续制备用设备，如图1所示，本设备包括丝网印刷机1、喷涂机2、烘箱3以及由伺服电机驱动可实现步进式传送的环形传送轨道4；环形轨道上滑移设置有多个供气体扩散层10安置的随行滑块4-1，环形传送轨道4结构采用以圆弧导轨和直线导轨拼接出的轨道为基础、以同步带轮实现连续式稳定传送，从而便于随行滑块4-1在环形轨道上实现轨迹准确的循环式滑移运动，随行滑块4-1由伺服电机的步进式传送实现在环形传送轨道4上的步进式运动，即多个随行滑块4-1之间的间距确定，且每次运动的距离也为确定值，该确定值可在设备调试阶段由伺服电机的转动角度计算控制并确定，并且由伺服电机的转速控制每次步进的传送间隔时间。
41.丝网印刷机1以及喷涂机2的数量可根据气体扩撒层所需涂刷浆料种类而定，即它们的数量均至少为一个，在本实施例中，丝网印刷机1以及喷涂机2的数量各位一个，丝网印刷机1、喷涂机2以及烘箱3均设置在环形传送轨道4中并由环形传送轨道4贯穿而过，沿环形传送轨道4的传送方向，丝网印刷机1以及喷涂机2的后工位处均对应设置有烘箱3，如图1所示。
42.如图1和2所示，喷涂机2中位于印刷喷头的下方设有定制盖板5，定制盖板5由驱动电机控制转动并可转动置于随行滑块4-1的正上方；定制盖板5包括呈波浪状的功能板5-5，功能板5-5上设有供混合浆料通过的刷涂通口区5-1和避免混合浆料通过的封闭区5-2，刷涂通口区5-1均设置在波浪状功能板5-5的最高峰处，封闭区5-2均设置在波浪状功能板5-5的最低峰处；如图3所示，同时定制盖板5的一端设有与封闭区5-2相通的可拆卸式集料盒5-3，可拆卸式集料盒5-3内均密封连接有抽料细管，抽料细管均与外部抽料系统，如抽料泵和储料桶连通，以实现将可拆卸式集料盒5-3内存储的浆料抽取至储料桶内备用；刷涂通口区
5-1和封闭区5-2的数量以及排布次序可依据混合浆料种类以及气体扩散层10每层的刷涂要求而定，在本实施例中，刷涂通口区5-1和封闭区5-2呈面积相等的方形状且为均匀交错阵列设计。
43.如图4所示，上述随行滑块4-1上均可拆卸设有连接工装6，为配合气体扩散层10形状，在本实施例中，连接工装6呈长方体状，连接工装6可以通过连接螺栓或者电磁铁组件等实现在随性滑块上的可拆卸连接，连接工装6均包括供气体扩散层10进入的开口端6-1以及防止气体扩散层10滑落的围挡边6-2，围挡边6-2内延开口端6-1的两侧均设有供气体扩散层10侧边插入的限位槽6-3，限位槽6-3内均设有对气体扩散层10限位作用的弹性限位挡片6-4；弹性限位挡片6-4截面呈圆弧状，即弹性限位挡片6-4的圆弧外壁于气体扩散层10抵触实现对气体扩散层10的抵触限位。
44.如图1所示，本设备还包括实现气体扩散层10置于随行滑块4-1上准备刷涂的自动上料机构7、完成刷涂后实现气体扩散层10收纳存储的自动集料机构8以及激光测厚仪9，沿环形传送轨道4的传送方向，自动上料机构7即位于传送开始端处，自动集料机构8则位于传送结束端处，激光测厚仪9设计位于自动集料机构8前工位处。
45.如图5和6所示，自动上料机构7和自动集料机构8均包括机架体7-1，机架体7-1内对称设有一双也由伺服电机驱动的传送链轮链条组件，传送链轮链条组件为本领域常用链轮链条机构，此处不再赘述(图中未表示出)，同时在两个传送链轮链条组件的链条上，并延机架体7-1的高度方向均对应阵列设有多个对气体扩散层10支撑的连接耳片7-2，机架体7-1上设有供气体扩散层10输出至连接工装6内的出口端7-3以及供气体扩散层10置入的进口端7-4，自动上料机构7的机架体7-1上靠近进口端7-4处设有对气体扩散层10作用的推送组件7-5(为避免推送组件7-5对气体扩散层10进入自动上料结构内产生妨碍，推送组件7-5设计为可沿自动上料机构7的高度方向滑移，控制其滑移运动可以采用现有技术电机、螺杆、滑块等控制组件实现)，推送组件7-5包括机箱7-5-1，机箱7-5-1内设有驱动气缸，驱动气缸的伸缩杆上设有对气体扩散层10作用的推送架7-5-2；如图1或6所示，自动集料机构8的推送组件7-5设置在传送轨道上，同时连接工装6上设有供推送组件7-5的伸缩杆贯穿的通孔6-5，如图4所示。
46.将多片气体扩散层10分别置于多组位置高度对应的两个连接耳片7-2上，伺服电机控制传送链轮链条组件的传送即实现了气体扩散层10延高度方向的传送，以便气体扩散层10可以依次传送至与连接工装6开口端6-1高度位置对应处，为了确定该高度位置，本设备的自动上料机构7、自动集料机构8和连接工装6内均设有传感系统以实现对位作用，传感系统可以采用市面上可以直接购买的磁感应式传感器和光电式传感器(图中未表示出)，均安装于连接工装6靠近开口端6-1处，并选择气体扩散层10的金属薄片为具有一定磁性的材料，则磁感应式传感器即可对传送至对应高度位置的气体扩散层10进行识别，进而控制满足两者的对位，便于气体扩散层10在推送组件7-5伸缩杆作用下，由自动上料机构7的出口端7-3进入连接工装6的开口端6-1；而光电传感器则对自动集料机构8中的连接耳片7-2进行识别，进而确定连接耳片7-2的方位以满足对位后，气体扩散层10即可在推送组件7-5伸缩杆作用下，由连接工装6的开口端6-1进入自动集料机构8的进口端7-4。
47.本设备进一步的设计中，如图1所示，自动上料机构7和自动集料结构的机架体7-1上均设有带刹脚轮7-6，带刹脚轮7-6可以采用市面上购买的福马轮；如图6所示，自动上料
机构7和自动集料结构的机架体7-1上均设有多根由分别由多个驱动电机单独控制的伸缩螺杆7-7，同时传送轨道的机架板内延其高度方向阵列设有多组限位螺孔4-2，多组限位螺孔4-2的深度呈由浅至深阶梯式设计，如图7所示；自动上料机构7和自动集料结构的机架板的伸缩螺杆7-7上数量与螺孔数量一致，从而通过伸缩螺杆7-7与不同深度螺孔之间的限位配合，则可以控制自动上料机构7、自动集料机构8与环形传送轨道4之间的距离，以满足多种实际场景的配合需求，较为理想的自动上料机构7、自动集料机构8与环形传送轨道4之间的距离，应为气体扩散层10与连接工装6之间间距不大于1cm的情况；同时限位螺孔4-2在环形传送轨道4的机架板上的方位设计应考虑配自动上料机构7、自动集料机构8与之配合后，自动上料机构7、自动集料机构8也应与实现步进式运动的随性滑块的位置进行对应，为了减少对位难度，可以在环形传送轨道4的机架板上再设置可以延环形传送轨道4长度方向实现一定滑移距离并具有自身在环形传送轨道4的机架板上限位的安装板4-3，并使得限位螺孔4-2均设置在安装板4-3上，如图8所示。
48.适用于本发明设备的，为满足智能化要求，本设备中还可引进与本设备中所有电气元件(如伺服电机、驱动气缸、传感器系统等)电路信号连接的plc系统，plc系统可以通过其程序化控制实现各电气元件的开断控制以及工作次序，从而实现本设备的智能化操作管理。
49.具体实施方式：
50.s1，将气体扩散层10分别置于自动上料机构7的每对连接耳片7-2上，之后控制自动上料机构7和自动集料机构8移动靠近本设备的环形传送轨道4处。
51.s2，利用伸缩螺杆7-7与限位螺孔4-2的配合实现自动上料机构7、自动集料机构8实现与其中一个随行滑块4-1，即连接工装6对位后，实现位置固定。
52.s3，plc系统控制磁感应式传感器工作，以及传送链轮链条组件开始在伺服电机驱动下实现传送，当磁感应式传感器感应到气体扩散层10时，传送链轮链条组件暂停传送，同时推送机构实现将气体扩散层10推送至连接工装6的开口端6-1处，并在持续推送下实现气体扩散层10被推送完全置于连接工装6上并实现位置固定；同时plc系统控制伺服电机驱动环形传送轨道4进行步进式传送，即环形传送轨道4上的多个随行滑块4-1实现步进式运动，以实现将自动上料机构7上的气体扩散层10依次置于多个随性滑块的连接工装6上，实现上料。
53.s4，在随性滑块不断传送下，气体扩散层10逐片进入刷涂区，在本实施例中，气体扩散层10首先进入丝网印刷机1中实现浆料a的刷涂，之后逐步进入烘箱3烘干后再进入喷涂机2中。
54.s5，在气体扩散层10进入喷涂机2前，定制盖板5的驱动电机由plc控制使定制该板处于远离环形传送轨道4的张开状态，待气体扩散层10进入后，则再次被控制转动至处于连接工装6的正上方，此处为了确定气体扩散层10的进入以及其准确的方位，喷涂机2上也可以设置四个分别对气体扩散层10的金属薄板10-2四个角端处感应的电磁式传感器2-1，如图1所示，plc系统则可以根据此处电磁式传感器2-1所传递的信号控制驱动电机的工作，以便定制盖板5与气体扩散层10之间的对位。
55.s6，完成s5后，喷涂机2则开始对气体扩散层10进行喷涂浆料b，浆料b可通过刷涂通口区5-1被涂敷于气体扩散层10上形成涂层，多余的浆料b则可以延封闭区5-2被收集进
入可拆卸式集料盒5-3内，并在后续处理中被抽取至储料桶内备用。
56.s7，完成s6后，气体扩散层10再次进入烘箱3烘干后由激光测厚仪9检测厚度并记录，最终形成如图9所示的多结构式气体扩散层10。
57.在此工序过程中，可以根据气体扩散层10每层结构的实际厚度需求进行工序的调整，对于厚度要求较高的，则可以调整传送速度，并在丝网印刷机1或者喷涂机2处实现多次刷涂再烘干，且在激光测厚仪9确定每层结构厚度后再刷涂下一涂层。
58.实施例2，一种多结构气体扩散层连续制备用设备，与实施例1的不同之处在于，定制盖板5的刷涂通口区5-1和封闭区5-2为交错阵列设计，但是刷涂通口区5-1面积大于封闭区5-2，所制备的气体扩散层10结构如图10所示。
59.实施例3，一种多结构气体扩散层连续制备用设备，与实施例1和实施例2的不同之处在于，定制盖板5的刷涂通口区5-1和封闭区5-2为交错阵列设计，但是刷涂通口区5-1面积小于封闭区5-2，所制备的气体扩散层10结构，如图11所示。
60.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。