CN114914457A - 气体扩散层成套生产装备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体扩散层成套生产装备，本发明由4台既独立又相互关联的设备构成，具体由基体层处理设备、碳化处理设备、疏水处理设备、微孔涂层成型设备构成。该装备采用薄而脆、易变形撕裂的碳纤维纸为基材，制造工艺过程中，需要进行多次涂布、实现憎水性能、形成微孔层，还需要高温烧结、超高温碳化，生成碳化层，因此整个工艺过程，涉及到多种涂布技术、高温传动技术、温度控制等技术，工艺技术难度大，装备制造技术壁垒多。本发明解决了现有技术中存在的气体扩散层成套装备成本高、气体扩散层材料国产批量供应成本高的问题。
Description
技术领域
本发明属于高端装备制造技术领域，具体涉及一种气体扩散层成套生产装备。
背景技术
随着全球能源消费结构向低碳化转型加快，氢能作为清洁的二次能源再次受到各方关注。由于氢能来源广泛、清洁无碳、应用场景丰富，未来将大规模应用于航空航天领域、军事装备领域、工业领域、交通领域、储能领域、建筑领域、消费品等领域。
气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)是在碳基材料上多次涂布，实现材料疏水性能和微孔层成型。由于碳基微孔材料性质脆、易折断撕裂，其工艺技术难度大，装备制造技术壁垒多，由于国内目前没有气体扩散层成套生产装备，导致国内燃料电池企业高价进口，成为氢能发展过程中的关键材料。
在基于光学功能膜、水处理膜、锂电池隔膜、铝塑膜等精密涂布装备研制技术基础上，攻克了气体扩散层基体材料传动技术，高温烧结、超高温碳化技术、高温及超高温状态下温度精准控制技术、脆性基材涂层成型技术等，形成完整的气体扩散层成套装备技术解决方案，将打破国外气体扩散层生产装备技术封锁和市场垄断的局面。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体扩散层成套生产装备，解决了现有技术中存在的气体扩散层成套装备成本高、气体扩散层材料国产批量供应成本高的问题。
本发明所采用的技术方案是，气体扩散层成套生产装备，包括基体层处理设备、碳化处理设备、疏水处理设备、微孔涂层成型设备构成。
本发明的特点还在于，
基体层处理设备、碳化处理设备、疏水处理设备、微孔涂层成型设备布置模式为独立布置，即从左到右，依次分别为基体层处理设备、碳化处理设备、疏水处理设备、微孔涂层成型设备，呈现“一”字形布置。
基体层处理设备、碳化处理设备、疏水处理设备、微孔涂层成型设备布置模式为：基体层处理设备、碳化处理设备独立设置，疏水处理设备、微孔涂层成型设备连接，从左到右，分别为基体层处理设备、碳化处理设备、以及疏水处理设备和微孔涂层成型设备连体设备，呈现“一”字形布置。
基体层处理设备、碳化处理设备、疏水处理设备、微孔涂层成型设备布置模式为：从前向后或从后向前，分别为基体层处理设备、碳化处理设备、疏水处理设备、微孔涂层成型设备，呈现并列布置模式。
基体层处理设备具体结构为：包括放卷单元A，放卷单元A放卷后基材经过牵引单元A进行张力隔断，再通过浸渍挤压式涂层成型单元A在基材上双面做涂层处理，经过干燥单元A进行表面涂层内溶剂挥发，再经过烧结单元A进行烧结处理，使涂层完全包裹在基材上，经过冷却单元A对涂层基材进行降温处理，通过牵引单元A进行张力隔断，在收卷单元A处进行收卷。
碳化处理设备具体结构为：包括放卷单元B，放卷单元B作为进行放卷，所述基体层处理设备制备的材料为所述收卷单元A收成的半成品，半成品转运到放卷单元B，经过牵引单元B进行张力隔断，再经过低温碳化单元和高温碳化单元两道碳化处理，材料完全实现碳化，碳化材料通过牵引单元B进行张力隔断，在收卷单元B处收成新的半成品。
疏水处理设备具体结构为：包括放卷单元C，经过碳化处理后收卷单元 B的半成品放置到放卷单元C工作位作为放卷，经过牵引单元C进行张力隔断，再通过浸渍挤压式涂层成型单元B做双面涂层处理，经过干燥单元B 将表面涂层内溶剂挥发，再经过烧结单元B进行烧结处理，使涂层完全包裹在基材上，经过冷却单元B对涂层基材进行降温处理，通过牵引单元C进行张力隔断，在收卷单元C处收成卷。
微孔涂层成型设备具体结构为：所述疏水处理设备的收卷单元C收成的卷材，转运到放卷单元D处作为新工序的放卷，经过牵引单元D进行张力隔断，通过微孔涂层成型单元在基材上做单面涂层处理，经过干燥单元C将涂层内溶剂挥发，经过烧结单元C进行深层固化，再经过冷却单元C降温处理，与保护垫层单元放出的衬纸一起在收卷单元D处收成卷。
本发明的有益效果是，成套设备可以联动或分开进行脆性基材加工，涉及到脆性基材传动技术、高温及超高温状态下温度精准控制共性关键技术，还涉及到高温烧结及超高温碳化、脆性基材涂层成型特有关键技术。本发明解决了脆性基材低温、高温等状态下的传动，避免了脆性基材加工过程中撕裂、拉断等问题；高温烧结、超高温碳化技术解决了高温烧结箱和碳化炉保温、温度均匀以及箱体和炉体内脆性基材的传动问题；高温及超高温状态下温度精准控制解决脆性基材的烧结、碳化处理效果和材料分子结构稳定性；脆性基材涂层成型技术涉及基体层处理、疏水处理和微孔层成型3台设备，解决了涂布精度、均匀度、脆性基材与微孔层的结合程度。成套设备国产化。
附图说明
图1是本发明的气体扩散层成套生产装备总图；
图2是基体层处理设备结构图；
图3是碳化处理设备结构图；
图4是疏水处理设备结构图；
图5是微孔层成型设备结构图。
图中，1.基体层处理设备；2.碳化处理设备；3.疏水处理设备；4.微孔涂层成型设备，5.放卷单元A；6.牵引单元A；7.浸渍挤压式涂层成型单元A； 8.干燥单元A；9.烧结单元A；10.冷却单元A；11.收卷单元A，12.放卷单元B；13.牵引单元B；14.低温碳化单元；15.高温碳化单元；16.收卷单元B； 17.放卷单元C；18.牵引单元C；19.浸渍挤压式涂层成型B；20.干燥单元B； 21.烧结单元B；22.冷却单元B；23.收卷单元C，24.放卷单元D；25.牵引单元D；26.微孔涂层成型单元；27.干燥单元C；28.烧结单元C；29.冷却单元 C；30.保护垫层单元；31.收卷单元D。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明气体扩散层成套生产装备，结合图1～图5所示，包括基体层处理设备1、碳化处理设备2、疏水处理设备3、微孔涂层成型设备4构成。
基体层处理设备1、碳化处理设备2、疏水处理设备3、微孔涂层成型设备4布置模式可分为三种，第一种布置模式为独立布置，即从左到右，依次分别为基体层处理设备1、碳化处理设备2、疏水处理设备3、微孔涂层成型设备4，呈现“一”字形布置。
第二种布置模式为：基体层处理设备1、碳化处理设备2独立设置，疏水处理设备3、微孔涂层成型设备4连接，从左到右，分别为基体层处理设备1、碳化处理设备2、以及疏水处理设备3和微孔涂层成型设备4连体设备，呈现“一”字形布置。
第三种布置模式为：从前向后或从后向前，分别为基体层处理设备1、碳化处理设备2、疏水处理设备3、微孔涂层成型设备4，呈现并列布置模式。
其中，基体层处理设备1具体结构为：包括放卷单元A5，放卷单元A5 放卷后基材经过牵引单元A6进行张力隔断，再通过浸渍挤压式涂层成型单元A7在基材上双面做涂层处理，经过干燥单元A8进行表面涂层内溶剂挥发，再经过烧结单元A9进行烧结处理，使涂层完全包裹在基材上，经过冷却单元A10对涂层基材进行降温处理，通过牵引单元A6进行张力隔断，在收卷单元A11处进行收卷。
碳化处理设备2具体结构为：包括放卷单元B12，放卷单元B12作为进行放卷，所述基体层处理设备制备的材料为所述收卷单元A11收成的半成品，半成品转运到放卷单元B12，经过牵引单元B13进行张力隔断，再经过低温碳化单元14和高温碳化单元15两道碳化处理，材料完全实现碳化，碳化材料通过牵引单元B13进行张力隔断，在收卷单元B16处收成新的半成品。
疏水处理设备3具体结构为：包括放卷单元C17，经过碳化处理后收卷单元B16的半成品放置到放卷单元C17工作位作为放卷，经过牵引单元C18 进行张力隔断，再通过浸渍挤压式涂层成型单元B19做双面涂层处理，经过干燥单元B20将表面涂层内溶剂挥发，再经过烧结单元B21进行烧结处理，使涂层完全包裹在基材上，经过冷却单元B22对涂层基材进行降温处理，通过牵引单元C18进行张力隔断，在收卷单元C23处收成卷。
微孔涂层成型设备4具体结构为：所述疏水处理设备的收卷单元C23 收成的卷材，转运到放卷单元D24处作为新工序的放卷，经过牵引单元D25 进行张力隔断，通过微孔涂层成型单元26在基材上做单面涂层处理，经过干燥单元C27将涂层内溶剂挥发，经过烧结单元C28进行深层固化，再经过冷却单元C29降温处理，与保护垫层单元30放出的衬纸一起在收卷单元 D31处收成卷。
本发明气体扩散层是以碳纤维纸为基材，通过在其表面涂覆不同性质的涂层，重新造孔的过程。整个设备组成是以图2基材放卷5开始，经过牵引单元A6张力隔断，通过浸渍挤压式涂层成型单元A7在基材上双面做涂层，干燥单元A8进行表面涂层内溶剂挥发，经过烧结单元A9烧结处理，使涂层完全包裹在基材上，冷却单元A10为带涂层基材经过降温，通过牵引单元 A6牵引张力隔断，在收卷单元A11处收卷，生成半成品，此为基体层处理设备阶段；收卷单元A11生产的半成品，转运到图3放卷单元B12开始第二段工序放卷，经过牵引单元B13牵引张力隔断，经过低温碳化单元14和高温碳化单元15两道碳化处理，使收卷单元A11生成的半成品材料完全碳化，经过牵引单元B13牵引张力隔断，在收卷单元B16处收成半成品，此为碳化处理设备阶段；收卷单元B16生成的半成品，转运到图4所示的放卷单元C17作为第三阶段的放卷，经过牵引单元C18牵引张力隔断，通过浸渍挤压式涂层成型单元B19在基材上双面做涂层，干燥单元B20再次进行表面涂层内溶剂挥发，经过烧结单元B21烧结处理，使涂层完全包裹在基材上，冷却单元B22对带涂层基材再次经过降温，通过牵引单元C18牵引张力隔断，在收卷单元C23处收成卷；收卷单元C23收成的卷材，转运到放卷单元D24处做为第四段工序的放卷，经过牵引单元D25牵引张力隔断，通过微孔涂层成型单元26在基材上单面做涂层，干燥单元C27再次进行涂层内溶剂挥发，经过烧结单元C28进行深层固化，冷却单元C29阶段降温，与保护垫层单元30放出的衬纸一起在收卷单元D31处收成卷，生产处最终的成品GDL(气体扩散层)。
本发明装备由4台既独立又相互关联的设备构成，具体由基体层处理设备、碳化处理设备、疏水处理设备、微孔涂层成型设备构成。该装备采用薄而脆、易变形撕裂的碳纤维纸为基材，制造工艺过程中，需要进行多次涂布、实现憎水性能、形成微孔层，还需要高温烧结、超高温碳化，生成碳化层，因此整个工艺过程，涉及到多种涂布技术、高温传动技术、温度控制等技术，工艺技术难度大，装备制造技术壁垒多。通过攻克装备设计制造中的关键技术，形成了完整的氢能源功能材料—气体扩散层成套装备技术解决方案，填补了国内气体扩散层成套装备领域的技术空白。
Claims (8)
1.气体扩散层成套生产装备，其特征在于，包括基体层处理设备(1)、碳化处理设备(2)、疏水处理设备(3)、微孔涂层成型设备(4)构成。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层成套生产装备，其特征在于，所述基体层处理设备(1)、碳化处理设备(2)、疏水处理设备(3)、微孔涂层成型设备(4)布置模式为独立布置，即从左到右，依次分别为基体层处理设备(1)、碳化处理设备(2)、疏水处理设备(3)、微孔涂层成型设备(4)，呈现“一”字形布置。
3.根据权利要求1所述的气体扩散层成套生产装备，其特征在于，所述基体层处理设备(1)、碳化处理设备(2)、疏水处理设备(3)、微孔涂层成型设备(4)布置模式为：基体层处理设备(1)、碳化处理设备(2)独立设置，疏水处理设备(3)、微孔涂层成型设备(4)连接，从左到右，分别为基体层处理设备(1)、碳化处理设备(2)独立设置，疏水处理设备(3)、微孔涂层成型设备(4)连体设备，呈现“一”字形布置。
4.根据权利要求1所述的气体扩散层成套生产装备，其特征在于，所述基体层处理设备(1)、碳化处理设备(2)、疏水处理设备(3)、微孔涂层成型设备(4)布置模式为：从前向后或从后向前，分别为基体层处理设备(1)、碳化处理设备(2)独立设置，疏水处理设备(3)、微孔涂层成型设备(4)，呈现并列布置模式。
5.根据权利要求1～4任一项所述的气体扩散层成套生产装备，其特征在于，所述基体层处理设备(1)具体结构为：包括放卷单元A(5)，放卷单元A(5)放卷后基材经过牵引单元A(6)进行张力隔断，再通过浸渍挤压式涂层成型单元A(7)在基材上双面做涂层处理，经过干燥单元A(8)进行表面涂层内溶剂挥发，再经过烧结单元A(9)进行烧结处理，使涂层完全包裹在基材上，经过冷却单元A(10)对涂层基材进行降温处理，通过牵引单元A(6)进行张力隔断，在收卷单元A(11)处进行收卷。
6.根据权利要求5所述的气体扩散层成套生产装备，其特征在于，所述碳化处理设备(2)具体结构为：包括放卷单元B(12)，放卷单元B(12)作为进行放卷，所述基体层处理设备制备的材料为所述收卷单元A(11)收成的半成品，半成品转运到放卷单元B(12)，经过牵引单元B(13)进行张力隔断，再经过低温碳化单元(14)和高温碳化单元(15)两道碳化处理，材料完全实现碳化，碳化材料通过牵引单元B(13)进行张力隔断，在收卷单元B(16)处收成新的半成品。
7.根据权利要求6所述的气体扩散层成套生产装备，其特征在于，所述疏水处理设备(3)具体结构为：包括放卷单元C(17)，经过碳化处理后收卷单元B(16)的半成品放置到放卷单元C(17)工作位作为放卷，经过牵引单元C(18)进行张力隔断，再通过浸渍挤压式涂层成型单元B(19)做双面涂层处理，经过干燥单元B(20)将表面涂层内溶剂挥发，再经过烧结单元B(21)进行烧结处理，使涂层完全包裹在基材上，经过冷却单元B(22)对涂层基材进行降温处理，通过牵引单元C(18)进行张力隔断，在收卷单元C(23)处收成卷。
8.根据权利要求7所述的气体扩散层成套生产装备，其特征在于，所述微孔涂层成型设备(4)具体结构为：所述疏水处理设备的收卷单元C(23)收成的卷材，转运到放卷单元D(24)处作为新工序的放卷，经过牵引单元D(25)进行张力隔断，通过微孔涂层成型单元(26)在基材上做单面涂层处理，经过干燥单元C(27)将涂层内溶剂挥发，经过烧结单元C(28)进行深层固化，再经过冷却单元C(29)降温处理，与保护垫层单元(30)放出的衬纸一起在收卷单元D(31)处收成卷。
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