CN107604328A - 一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，包括真空腔室，离子源，靶材，工件架，工件架传输系统，真空系统，隔离系统以及电控系统。上述高效环形磁控溅射装置相比原来的圆形腔体去掉了腔室中心与镀膜无关的区域，增大了镀膜有效利用体积比例，缩短了抽气时间，提高了镀膜效率。其次，采用对靶溅射的方式，基片不自转，保持了靶基距的恒定，有利于镀膜的均匀性。同时缩短了两靶距离，较圆形大腔室可以更好地形成闭合磁场，有利于增强膜基结合力。同时环形腔室可以分成多个分腔室，分腔室内安装一对同种类的靶材，可以在基片表面沉积多层复合涂层。与现有技术相比，本发明镀膜效率高，膜层质量好，良率高，对燃料电池双极板涂层产业化具有重大意义。

Description

一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置

技术领域

本发明涉及真空镀膜领域，尤其是涉及一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置。

背景技术

近年来，随着化石燃料趋于告罄，能源日益紧张，新能源的发展迫在眉睫，如核能，风能，太阳能等。而质子交换膜燃料电池(PEMFC)可将化学能转化为电能，避免了卡诺循环带来的能量转化效率低的问题，其能量利用效率高，理论上可达80～90％。此外，其产物为水，无污染，清洁环保，因而成为近年来研究的热点。而燃料电池双极板是燃料电池中很重要的部件，其占据了燃料电池总体积的80％，总质量的70％，总成本的60％，双极板不仅起到通气的作用，还起到支撑电堆和传递电子的作用。以往的双极板材料通常为石墨，但其硬度低，机械加工性能和力学性能差，使其应用受到限制。另一方面，金属双极板由于其良好的力学性能和机械加工性能，成本低，以及高的质量能量密度，使其成为双极板材料的一个优良选择。然而目前的金属双极板，虽其导电性好，但耐腐蚀性差等是限制其应用的一个重要障碍。因此，我们采用双极板表面改性的方式来获得兼具良好导电性和耐腐蚀性的涂层。该涂层可以通过蒸镀、多弧离子镀、磁控溅射、反应溅射等方式来获得。在金属极板产业化中，设计高效，高良率的磁控镀膜设备，提高镀膜的生产效率成为产业化其首要目标。中国专利200910031377.2公布了一种多功能磁控溅射连续镀膜机，包括箱体，工件承载车，工件承载车供电装置，溅射靶，抽真空和通气装置，电气控制装置和总控制器。该专利由多个腔室相互连接，可以溅射多层复合镀层。但其未设置靶材冷却装置和真空控制传感器。中国专利200910135305.2公布了一种连续式镀膜设备的循环输送系统，在进料区前端与出料区后端设置了升降装置以及回送装置，该专利缺点在于传输系统太复杂，而复杂的系统势必带来较大的故障率，无法保证连续镀膜对设备可靠性的要求。中国专利201110149168.5公布了一种同端进出式连续溅射镀膜设备，所述真空腔体由相邻且相通的预抽室和溅射室两个真空室构成，溅射室内装有至少三对相对布置的磁控溅射靶。该设备占地面积和体积小，但其镀层均匀性不能保证。专利201510103282.2公开了一种柔性基材双面连续卷绕磁控溅射镀膜自动生产线，其可实现多卷基材的连续镀制，大大提高了镀膜效率，但是该发明只适合生产柔性基表面涂层溅射镀膜，对燃料电池双金属极板不适用。综上，现有的专利并未提及到燃料电池双极板的产业化带来的对产品高效，高良率的要求。因此，设计一种单炉出产率高，膜层质量好，良率高的真空镀膜设备具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构合理，生产效率高，薄膜质量好的镀膜设备，以满足生产燃料电池表面耐腐蚀导电薄膜的批量化生产需求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，包括真空腔室，离子源，靶材，工件架，工件架传输系统，真空系统，隔离系统以及电控系统，

所述的真空腔室由多个弧形分腔室串联组成，在地面上铺设不同朝向的轨道，各分腔室底部固定有与轨道配合的导轨，导轨上安装位置传感器，对分腔室位置进行精确控制；

所述的离子源及靶材安装在各分腔室的内壁；

所述的工件架包括沿圆周方向均布的可装夹多个金属极板的挂具；

所述的运动传输系统包括驱动工件架公转的传动机构，定位精度检测传感器及PLC控制系统；

所述的真空系统保证所述的真空腔室达到工艺所需真空度，包括抽气口、不同精度等级的真空泵、切换阀门、真空计、等离子体浓度检测传感器及真空密封圈；

所述的隔离系统屏蔽等离子体向相邻分腔室的扩散，并能确保工件架通过；

所述的电控系统包括电源电路及控制电路的控制系统及控制面板，PLC控制模块及相关检测传感器。

发明实现其目的的技术构想主要有以下七个方面：

一是腔室呈环形布置，在不增加设备总占地面积情况下，除去了传统圆形腔室内与镀膜关系不大的中心区域，有效增大了镀膜有效体积比，缩短了抽气时间；

二在于考虑到安装拆卸的便宜性。在各分腔室环向外侧开门，可单独对分腔室进行紧急情况的处理。分腔室底部铺设四条不同朝向的导轨，可以方便地独立移动各分腔室。相邻分腔室采用法兰和螺栓连接，中间采用真空橡胶圈密封；

三是通过多种靶材实现复合薄膜的高效率沉积，同时在腔室中增加离子源，用以清洗工件表面及辅助沉积薄膜；

四是在于采用面对面布置的非平衡磁场，非平衡磁场可以增加离化率，而磁场的面对面安装，以及基片于磁感线重叠区域的放置可以使基片处的等离子体密度高，获得质量高的非晶碳膜；

五在于工件架均布多个挂具，每个挂具均可安放基片，单炉产量可以提升，进而提高了镀膜效率。工件架采用齿轮齿条传输方式，可以避免真空系统传送带方式的局限，同时传递可靠，有效实现膜层的均匀沉积，此外，可以调价挂具架的宽度(同一挂具相邻两杆之间的距离)来适应不同宽度极板的要求；

六是抽气口设置在分腔室上方靠近边缘法兰的位置，以避免抽气过程中紊流对等离子体浓度分布的影响；

七是在相邻分腔室之间设置隔离板，可以减小等离子体向相邻腔室的绕射，减小靶材污染，缩短了洗靶所用时间和次数，同时隔离板中部开缝，可供转架通过；

所述磁控溅射高效环形设备，具有镀膜质量好，生产效率高、便于拆卸安装等特点。具体有如下特点：

所述环形腔室，由四个1/4弧形分腔室1-1～1-4依次串联组成一个环形整体，各分腔室1-1～1-4之间以带缝隔离板1-8隔开，所有分腔室贯通。四个分腔室，分别命名为第一、第二、第三、第四镀膜分腔室；所述各腔室均为内径1.4-1.8m，外径2-2.4m，高度1-1.5m的1/4弧形腔室，各腔室完成相应的膜层工艺，可保证薄膜沉积的高效率。相比采用圆柱形的腔室，若外径2m，内径1.6m，抽气体积减小了64％，抽气效率是原来的2.8倍。相邻腔室之间通过法兰和螺栓连接，在各腔室底部铺设轨道，这样可以移动腔室和更换内侧靶材以及维修等。四个分腔室外侧均设置密闭门，并且可以方便地清洗内部腔室以及悬挂基片。

所述阴极靶材：四个分腔室安装不同种类的靶材，实现复合薄膜的沉积。靶材采用平面靶，其平面与环形腔室中轴线平行，并用螺钉固定在各分腔室。且以面对面方式安装，采用非平衡场磁控溅射，其具有很高的离化率。基片置于磁感线重合区域，这是因为此处等离子体密度高，沉积出的膜层结合紧密，良率高。

磁控溅射由于采用非平衡磁场，可以不采用离子源，若要进一步增加等离子体密度，可以沿环向均匀设置2-4个离子源。其目的在于清除基片表面杂质和氧化物，以增加薄膜与工件表面结合力并减少薄膜沉积过程中产生的缺陷、杂质。

所述工件架，由上固定圈、下固定圈、支撑立柱以及挂具架组成。上下固定圈被拆成4～8个同样大小的弧形分部件，以便于安装拆卸。工件架上沿环形均匀分布着20-30个挂具架，每个挂具架由竖直安装的两根挂具杆组成，每条挂具可以安放一个待镀基片，极大增加了单炉产量，提高了生产效率。根据基片宽度和腔室总周长来决定挂具杆的宽度和挂具的数目。此外，考虑到不同基片的宽度各异，为此，在工件架的上下和固定圈开有环向沟槽，可以通过调节挂具杆在沟槽的位置来调节挂具的宽度，以满足沉积不同宽度的基片表面非晶碳膜的要求。

所述工件架传输系统，由四个同步运行的齿轮驱动的齿条机构带动，齿轮由同一电机驱动，保证了转动的同步，四个齿轮分别设置在四个分腔室的底部中心，支撑着其上与之啮合的齿条以及与齿条固接的工件架，以保证传动的稳定及可靠性。工件架底部安装定位传感器，可减小装配误差，保证每次安装后位置的一致性。方案并不局限于此，也可采用传送带或行星轮系来传输。

所述抽气系统，考虑到抽气过程的均一性要求，且由于腔室的高度1-1.5m，单个抽气泵即可满足高度方向的均匀性。可在四个腔室上方均布2-4个抽气口，抽气口不设置在分腔室正上方而设置在分腔室连接法兰旁，可避免抽气过程中的紊流带来的等离子体浓度不匀的问题，抽气口直径10-20cm，根据抽气泵的规格直径决定，所有的抽气口共用同一套真空抽气系统，其由PLC控制系统、抽气泵(机械泵、罗茨泵、扩散泵或分子泵)、真空计组成，可保证腔室的工艺条件，本发明以机械泵和分子泵的组合，使设备具有较快的抽气速率及较高的真空度。

所述带缝隔离板，有两方面作用，其一，其可有效减弱等离子体向相邻腔室的扩散，减弱了对另一腔室靶材的污染，可以避免频繁洗靶，缩短了洗靶时间或洗靶次数，提高了工作效率；其二，隔离板中下部开缝，其刚好可供工件架通过，考虑到立柱的宽度和高度，缝宽度为70-90mm,高度1000mm。带缝隔离板安装在相邻分腔室法兰处，且其完全没入一侧的分腔室。

为避免阴极过热，影响薄膜沉积效率和质量，需要对阴极采用水冷，在铜背板上安装冷却水循环系统，并配置相应的温度传感器，对阴极进行精确控温。

与现有技术相比，本发明镀膜效率高，膜层质量好，良率高，对燃料电池双极板涂层产业化具有重大意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的俯视结构使用图；

图4为本发明工件架示意图；

图5本发明工件架俯视局部放大图；

图6为本发明总体剖视结构示意图；

图7为本发明带缝隔离板示意图；

图8为发明非平衡磁场示意图；

图9为本发明镀膜流程图。

图中：1-1为第一分腔室；1-2为第二分腔室；1-3为第三分腔室；1-4为第四分腔室；1-5为阴极靶材；1-6为密闭门；1-7为连接法兰；1-8为带缝隔离板；1-9为抽气泵；1-10为分腔室底部导轨；1-11为轨道；1-12为地面；2-1上固定圈；2-2下固定圈；2-3为支撑立柱；2-4为挂具杆；2-5为待镀基片；2-6为挂具钩；2-7为传动分齿条；2-8为传动齿轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，主要由镀膜第一、第二、第三、第四分腔室、溅射阴极靶材、工件架及工件架传输机构、真空系统、电控系统、冷却系统以及其他真空溅射机构组成。

上述腔室、隔离板和溅射靶，如图1～2所示，镀膜第一分腔室1-1、镀膜第二分腔室1-2、镀膜第三分腔室1-3、镀膜第四分腔室1-4、阴极靶材1-5、分腔室密闭门1-6、连接法兰1-7、带缝隔离板1-8、抽气泵1-9、分腔室底部导轨1-10等组成。腔室内径1200-1600mm，外径2000-2400mm，高度1000-1500mm。其中各分腔室分别设置独立的密闭门1-6，这样可以在该分腔室发生故障时，快速对故障进行检查排除，此外，还便于各分腔室内部的安装清理。在各分腔室安装不同种类的阴极靶材，以在基片沉积复合薄膜的不同膜层。的四个分腔室之间的连接部分采用连接法兰1-7加螺栓连接，这样可以很方便地对设备进行安装和拆卸。分腔室在使用过程中可能需要拆卸维修，为此在各分腔室底部安装与地面1-12上的轨道1-11配合的四条不同朝向的分腔室底部导轨1-10，可以通过分腔室底部导轨1-10来驱动独立分腔室的分离和组合，同时在导轨处安装定位传感器，以实现定位要求和重复安装。

真空系统，如图1～3所示，需要在腔室正上方对向均开四个抽气口/抽气泵1-9，气口直径10-20cm。由于腔室设计高度在1-1.5m内，可以在高度方向上只开一个抽气口，即可满足高度方向上抽气均匀性。抽气口/抽气泵1-9可以共用同一套真空抽气系统，由机械泵、分子泵等组合而成。分腔室之间有弹性真空密封件，相邻腔室采用法兰盘1-7加螺栓的方式预紧和密封。抽真空后，由于内外压强差的作用可使密闭门1-7密封。如图3所示，各分腔室分别安装有一对对靶布置的靶材，可根据需要增减分腔室数目，满足不同层数的复合涂层的需要。

工件架及其传输机构，如图4～6所示，工件架由上固定圈2-1、下固定圈2-2、支撑立柱2-3、挂具杆2-4、挂具钩2-6组成，工件架的高度为700-1100mm。挂具杆2-4均布在工件架上，可以根据腔室尺寸和所镀基片宽度设置挂具数目，次数为20-30个。此外，考虑到所镀极板尺寸可能不同，为此，在上固定圈2-1和下固定圈2-2开有滑槽，可根据待镀基片2-5的宽度来调节同一挂具两挂具杆2-4之间的距离。此外，考虑到环形工件架不易装配和取出，将其拆分为4个1/4弧形件，通过支撑立柱2-3支撑，再加以螺母固定。传动分齿条2-7和下固定圈2-2固定，各腔底部中心处均设置一个传动齿轮2-8，电机(简称其为驱动电机)驱动位于腔室中心底部的四个传动齿轮2-8同步运转，带动与之啮合的传动分齿条2-7的转动，可以通过驱动电机来控制工件架2的公转方向和转速。四个周向均布的传动齿轮2-8可以支撑工件架保持平衡，保证传动的平稳。然驱动方案并不局限于此，也可通过沿圆周方向均匀分布的摩擦轮来实现，摩擦轮以电机驱动，通过摩擦轮与工件架底盘之间的摩擦驱动后者前进。

考虑到环形工件架在相邻分腔室间的传输，如图6～7所示，在带缝隔离板1-8中心处开缝，使工件架2刚好可以通过。增加隔离板的目的在于屏蔽相邻腔室之间的等离子体扩散。

本发明采用面对面对靶布置的非平衡磁场磁控溅射，如图8所示，各腔室阴极靶材呈面对面分布，由于带缝隔离板1-8的存在，等离子体向相邻腔室的扩散明显得到改善。待镀基片2-5位于阴极靶材1-5的磁感线重叠的区域，等离子密度大，镀膜质量高，同时非平衡的磁感线又可以使等离子体又可轰击基片表面，去除表面污染物及氧化物和其他杂质等。

如图9所示，本发明制备燃料电池金属双极板涂层的工作过程简要描述是：将上述四个分腔室装配好，开启各分腔室密闭门1-6，并将工件架的各个部分分别从四个分腔室密闭门1-6放入，在腔室内部完成装配。将待镀基片2-5通过挂具钩2-6悬挂于挂具杆2-7上，可以通过转动驱动电机以使整个工件架挂满待镀基片2-5。之后关闭各分腔密闭门1-6，开启真空抽气系统和驱动电机，先开启靶材高偏压，等离子体对工件表面进行轰击，清洗其表面杂质和氧化膜，为下一步薄膜沉积准备，之后靶材切换到低偏压，按照第一分腔室到第四分腔室的顺序开启相应靶材电源，沉积四层不同的镀层，当所有步骤结束后，可从四个分腔室密闭门1-6出炉，之后根据需要对靶材进行洗靶，整个燃料电池金属双极板表面镀膜过程完成。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，其特征在于，该装置包括真空腔室，离子源，靶材，工件架，工件架传输系统，真空系统，隔离系统以及电控系统，

所述的真空腔室由多个弧形分腔室串联组成，在地面上铺设不同朝向的轨道，各分腔室底部固定有与轨道配合的导轨，导轨上安装位置传感器，对分腔室位置进行精确控制；

所述的离子源及靶材安装在各分腔室的内壁；

所述的工件架包括沿圆周方向均布的可装夹多个金属极板的挂具；

所述的运动传输系统包括驱动工件架公转的传动机构，定位精度检测传感器及PLC控制系统；

所述的真空系统保证所述的真空腔室达到工艺所需真空度，包括抽气口、不同精度等级的真空泵、切换阀门、真空计、等离子体浓度检测传感器及真空密封圈；

所述的隔离系统屏蔽等离子体向相邻分腔室的扩散，并能确保工件架通过；

所述的电控系统包括电源电路及控制电路的控制系统及控制面板，PLC控制模块及相关检测传感器。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，其特征在于，各弧形分腔室之间的连接部位设有法兰和真空密封圈，以螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，其特征在于，所述的弧形分腔室优选设有四个，每个分腔室内安装至少一对靶材，不同分腔室内安装的靶材种类不同，分腔室的外侧开设密封门。

4.根据权利要求1或3所述的一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，其特征在于，所述的靶材包括Ti,Ta,Nb,Cr或C靶材。

5.根据权利要求1或3所述的一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，其特征在于，所述的靶材还包括附属设施，包括冷却系统、磁极、阴极电源，

所述的磁场采用非平衡闭合场，磁场与阴极电源对靶布置，基片处于磁感线重合的位置，靶基距100-200mm。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，其特征在于，所述的工件架为可拆分结构沿环形腔室均布，工件架宽度可调并绕环形腔室轴线公转，自身无自转。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，其特征在于，所述的工件架传输系统包括底部齿条，多个同步运行的齿轮，驱动齿轮运转的步进电机，所述的齿轮设置在各分腔室底部正中央，由几个同步运转的步进电机驱动，齿轮与底部齿条啮合，底部齿条与工件架下固定圈固接。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，其特征在于，所述的真空系统中，

所述的真空泵为机械泵，扩散泵，罗茨泵，分子泵或其组合，优选采用机械泵和分子泵组合，

所述的抽气口设置在分腔室的上方靠近腔室边缘法兰的位置，沿周向均布2-4个，抽气口直径10-20cm。抽气真空度在8×10^-6～1×10^-4torr。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池金属双极板高效环形真空镀膜装置，其特征在于，所述的隔离系统由四个带缝隔离板和相应的密封装置组成，所述的带缝隔离板位于分腔室内部靠近边缘接口处，完全没入一侧分腔室，该带缝隔离板可以阻挡大部分等离子体，减弱镀膜过程中等离子体向相邻腔室的扩散，隔离板中部的开缝使工件架通过。