一種燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備及其鍍膜方法與流程

本發(fā)明涉及燃料電池金屬極板表面改性領(lǐng)域，尤其是涉及一種燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備及其鍍膜方法。

背景技術(shù)：

真空鍍膜是指在真空環(huán)境下，將某種金屬或金屬化合物以氣相的形式沉積到材料表面，屬于物理氣相沉積工藝。真空鍍膜技術(shù)最早可以追溯到20世紀(jì)30年代，40年代開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，80年代開始出現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。真空鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍廣闊，電子、包裝、宇航、刀具、光學(xué)、裝潢等等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，pemfc)可以不經(jīng)過燃燒而直接將氫氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽淠芰哭D(zhuǎn)換效率不受卡諾循環(huán)的限制，電池組的發(fā)電效率可達(dá)50％以上，唯一產(chǎn)物為水，對(duì)環(huán)境十分友好。pemfc工作溫度低、啟動(dòng)速度快、工作壽命長，是理想的移動(dòng)電源和獨(dú)立電源裝置，在交通工具、電子產(chǎn)品、國防軍事和固定電站等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件之一，占電堆體積的80％、質(zhì)量的70％和成本的29％。其主要功能是分隔反應(yīng)氣體、收集電流、將各單電池串聯(lián)起來并通過流場(chǎng)為反應(yīng)氣體進(jìn)出電極及水的排除提供通道等。因此，理想的雙極板材料必須具有高的電導(dǎo)率和良好的耐蝕性、低密度、高機(jī)械強(qiáng)度、高氣密性、化學(xué)穩(wěn)定性好及易加工成型等特點(diǎn)。目前，金屬薄板具有高的強(qiáng)度和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，原材料便宜且適合沖壓等大批量生產(chǎn)方式，是公認(rèn)的燃料電池產(chǎn)業(yè)化的首選。

目前，不銹鋼是燃料電池金屬極板的首選材料。然而，金屬極板的廣泛應(yīng)用亟待進(jìn)一步提高耐腐蝕性能和降低接觸電阻。金屬極板在高溫、高濕和酸性的pemfc工作環(huán)境迅速發(fā)生腐蝕，腐蝕掉的金屬離子進(jìn)入溶液之后，導(dǎo)致催化劑中毒，嚴(yán)重影響pemfc使用壽命。因此燃料電池金屬極板改性是一項(xiàng)必要和很有意義的工作。

但是，目前的燃料電池金屬極板真空鍍膜設(shè)備存在諸多問題。最主要是生產(chǎn)效率低、良率低等問題。這是由于目前的圓形腔體裝爐量較小、腔體體積大、抽氣系統(tǒng)單一等原因?qū)е碌?。因此，有必要針?duì)燃料電池金屬極板設(shè)計(jì)一種具有大批量、高效率生產(chǎn)的流水線設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備及其鍍膜方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備，真空腔室組：包括依次密封聯(lián)接并相互獨(dú)立的進(jìn)爐室、前處理室、第一鍍膜室、第二鍍膜室、后處理室和出爐室，其中，所述的前處理室內(nèi)設(shè)有加熱裝置，以及用于轟擊燃料電池金屬極板表面進(jìn)行預(yù)處理的離子源裝置，所述的第一鍍膜室內(nèi)設(shè)有至少1對(duì)陰極靶材，所述的第二鍍膜室內(nèi)設(shè)有間隔布置的至少一對(duì)離子源和至少一對(duì)陰極靶材，每個(gè)腔室中均設(shè)有獨(dú)立的真空泵；

支架：用于安置待處理的燃料電池金屬極板；

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：包括依次穿過真空腔室組中的各腔室的流水線導(dǎo)軌，以及驅(qū)動(dòng)支架沿所述流水線導(dǎo)軌在真空腔室組內(nèi)行進(jìn)的動(dòng)力組件；

plc控制系統(tǒng)：控制上述各部件的運(yùn)行。

流水線設(shè)備的各個(gè)重要部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

(1)進(jìn)爐室

燃料電池金屬極板經(jīng)過落料、沖壓、焊接、超聲波清洗等步驟，烘干之后，掛上支架，推進(jìn)進(jìn)爐室預(yù)抽真空。由于進(jìn)爐室與空氣有接觸，為了防止空氣中顆粒受抽氣氣流擾動(dòng)而污染了燃料電池金屬極板。因此，進(jìn)爐室的抽氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1、機(jī)械泵選型時(shí)選擇泵的轉(zhuǎn)速稍低一些，轉(zhuǎn)速大小為800rpm～3000rpm；

2、考慮到抽氣速度有快慢兩種模式，因此設(shè)計(jì)了兩個(gè)孔徑大小不一樣的抽氣口，并設(shè)計(jì)了閥門切換抽氣口的轉(zhuǎn)換。預(yù)抽氣的時(shí)候，將閥門切換至小抽氣口，等氣壓到達(dá)3×10³pa～7×10³pa再切換至大抽氣口。這種設(shè)計(jì)是由于抽氣口大更容易引起氣流的紊亂和擾動(dòng)，預(yù)抽氣如若采用大孔徑抽氣口將導(dǎo)致空氣中顆粒隨急速氣流揚(yáng)起而污染掛在轉(zhuǎn)架上的金屬極板；

3、考慮到抽氣時(shí)氣流的流向?qū)諝庵蓄w粒的影響，將進(jìn)爐室的抽氣口特殊地設(shè)置在腔室的下方，這種設(shè)計(jì)有利于進(jìn)一步減少氣流上行和顆粒的上揚(yáng)。

(2)前處理室

當(dāng)支架進(jìn)入前處理室之后，在前處理室可以進(jìn)一步把真空度提高。另外，前處理室還具有幾大功能：

1、前處理室有加熱裝置，通過輻射加熱使轉(zhuǎn)架上的金屬極板預(yù)處理到合適的溫度。這是為了使得金屬極板的溫度在沉積薄膜之前調(diào)整到達(dá)合適的溫度，有利于提高成膜質(zhì)量和改善薄膜的微觀結(jié)構(gòu)等功能；

2、采用加熱裝置還可以將清洗階段可能存在的金屬雙極板內(nèi)部流道殘存的液滴烘干，保證了真空鍍膜前處理工作的完備；

3、前處理室還有一對(duì)離子源裝置。離子源裝置的存在是為了：

(a)轟擊燃料電池金屬極板表面，清洗掉可能在進(jìn)爐室抽氣階段揚(yáng)起的微細(xì)顆粒，保證高度的清潔性，控制產(chǎn)品的良率在高水平，達(dá)到二次清洗的目的；

(b)高能離子轟擊燃料電池金屬極板表面，還有利于提高燃料電池金屬極板的表面能，有利于下一階段沉積薄膜的沉積、生長、成膜等微觀過程，最終提高了燃料電池金屬極板表面改性薄膜在以后燃料電池堆中的壽命等。

(3)第一鍍膜室

本發(fā)明針對(duì)燃料電池金屬極板表面改性涂層真空鍍膜的特點(diǎn)，第一鍍膜室配置了1～2對(duì)陰極靶材。根據(jù)燃料電池金屬極板涂層的性能要求，涂層底層一般采用與基底結(jié)合性能好、抗腐蝕性能優(yōu)良的元素作為底層。因此符合條件的靶材有cr靶、ti靶、nb靶等靶材，或者鈦鋁合金靶材、鈦硅合金靶材、鈦鈮合金靶材、鉻鉬合金靶材等合金靶材，甚至可根據(jù)需要選擇1～2種不同元素作為涂層底層元素。這種設(shè)計(jì)具有高度的靈活性，滿足燃料電池金屬極板涂層的要求。

考慮到燃料電池金屬極板真空鍍膜的特點(diǎn)，所以第一鍍膜室和第二鍍膜室沒有過渡室。這是由于兩個(gè)腔室的工作氣壓是基本一致的，根據(jù)開發(fā)人員的需求當(dāng)然可以稍有差異。因此，第一鍍膜室完畢之后的產(chǎn)品可以進(jìn)入第二鍍膜室進(jìn)行下一步工作。同樣地，plc控制系統(tǒng)控制第一鍍膜室的后門和第二鍍膜室的前門開啟，燃料電池金屬極板在支架上順著流水線導(dǎo)軌，在步進(jìn)電機(jī)地驅(qū)動(dòng)下順利進(jìn)入第二鍍膜室。此時(shí)plc控制系統(tǒng)可以關(guān)閉第一鍍膜室的后門和第二鍍膜室的前門。

(4)第二鍍膜室

由于燃料電池金屬極板表面改性涂層的最關(guān)鍵地方在于表面的抗腐蝕導(dǎo)電涂層，因此第二鍍膜室是整個(gè)流水線設(shè)備的關(guān)鍵部分，因此第二鍍膜室的設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。其設(shè)計(jì)的思路如下：

1、關(guān)于真空泵，第二鍍膜室采用了2～4個(gè)分子泵作為真空度的保證；

2、關(guān)于離子源，第二鍍膜室采用了1～2對(duì)離子源作為沉積薄膜的輔助裝備。在此，離子源的作用在于，轟擊沉積的薄膜，改變薄膜的應(yīng)力情況，夯實(shí)薄膜，轟擊掉結(jié)合力差的原子、原子團(tuán)簇等；

3、關(guān)于靶材，第二鍍膜室采用2～4對(duì)陰極靶材。陰極靶材間隔一定的距離在內(nèi)壁上相對(duì)布置，合理的靶基距的情況下，加快沉積速度。第二鍍膜室陰極靶材為貴金屬靶材，例如au靶、ag靶等，或者c靶，或者c靶與nb靶、ta靶、w靶的組合等，以便于制備元素?fù)诫s的涂層等功能。

4、關(guān)于陰極靶材之間的間距。陰極靶之間的距離需要經(jīng)過理論計(jì)算和軟件的仿真，得知濺射粒子的軌跡和范圍來確定合理的靶材間隔。本發(fā)明中，根據(jù)陰極靶材種類和靶材、離子源的布置方式的差異，靶材間隔大小為200cm～1000cm。

5、關(guān)于靶基距。靶基距的選擇也需要經(jīng)過理論的計(jì)算和軟件的仿真，還需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來確定最終的合理靶基距。本發(fā)明中，根據(jù)陰極靶材的種類和陰極設(shè)計(jì)的差異，靶基距大小為60cm～160cm。

6、關(guān)于陰極。陰極可以選擇平衡磁控濺射、非平衡磁控濺射、中頻交流反應(yīng)磁控濺射、射頻濺射等不同的原理?；蛘咭陨蠋追N原理的組合，例如第一對(duì)石墨靶材采用平衡磁控濺射，第二對(duì)石墨靶材采用非平衡磁控濺射等等。

第二鍍膜室內(nèi)陰極靶材與離子源相鄰布置，根據(jù)離子源與陰極靶材的數(shù)量的不同，可以是靶材-離子源-靶材-離子源-靶材這種布置方式，也可以是靶材-靶材-離子源-靶材-靶材布置方式。離子源的工藝參數(shù)設(shè)置可以不一樣，每個(gè)靶材的工藝參數(shù)也可以不一樣，可靈活根據(jù)工藝需求來設(shè)置合理的參數(shù)。

第二鍍膜室沉積抗腐蝕導(dǎo)電涂層的時(shí)候，由于靶材是固定的，因此要使得在支架上的燃料電池金屬極板沉積薄膜均勻，本發(fā)明采用的方案是：

順著流水線前進(jìn)方向，通過動(dòng)力組件驅(qū)動(dòng)支架在流水線導(dǎo)軌上進(jìn)行“前進(jìn)-后退-前進(jìn)-后退”往返式的運(yùn)動(dòng)方式。其具體實(shí)現(xiàn)方式是：動(dòng)力組件包括：伺服電機(jī)、聯(lián)軸器和滾珠絲桿，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲桿相連。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)滾珠絲桿的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使得滑軌上的滑塊實(shí)現(xiàn)平動(dòng)。通過將支架與滑塊固定，可以實(shí)現(xiàn)支架平穩(wěn)地、可控地、安全地前進(jìn)后退。

另外，為了使得掛在支架上的燃料電池金屬極板有自轉(zhuǎn)，本發(fā)明采用了從動(dòng)自轉(zhuǎn)的方式。即，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)支架前進(jìn)后退的同時(shí)，支架下方有若干對(duì)齒輪齒條嚙合運(yùn)動(dòng)。齒條與支架是相對(duì)固定的，而齒輪與轉(zhuǎn)架之間通過銷聯(lián)結(jié)，因此當(dāng)齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，最終帶動(dòng)了轉(zhuǎn)架的自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了燃料電池金屬極板在鍍膜過程中均勻地、平穩(wěn)地、可靠地自轉(zhuǎn)。

(5)后處理室

待產(chǎn)品在第二鍍膜室鍍完之后，plc控制系統(tǒng)控制第二鍍膜室的后門和后處理室的前門打開，支架進(jìn)入后處理室之后，第二鍍膜室的后門和后處理室前門關(guān)閉。后處理室主要用于對(duì)燃料電池金屬極板表面涂層的進(jìn)一步改性。其主要作用包括：

1.熱處理。通過熱處理，改善薄膜內(nèi)應(yīng)力的分布，釋放部分內(nèi)應(yīng)力，減緩燃料電池金屬極板表面涂層由于應(yīng)力過大而失效的問題；

2.其他的特殊處理。例如對(duì)微細(xì)孔洞缺陷的物理方法修復(fù)等。

(6)出爐室設(shè)計(jì)

出爐室由于對(duì)真空度要求不高，一般控制其氣壓為3×10³pa～9×10³pa，因此出爐室配置了2～3個(gè)機(jī)械泵和1～3個(gè)羅茨泵。

(7)腔室密封鎖緊

本發(fā)明每個(gè)腔體都是相互獨(dú)立的，每個(gè)腔室都具有真空泵，根據(jù)腔室對(duì)真空度的要求配置不同的泵(機(jī)械泵、羅茨泵、分子泵等)。本發(fā)明每個(gè)腔體之間相互聯(lián)結(jié)的可靠性是通過真空密封圈和鉸鏈-螺紋結(jié)構(gòu)來保證的。真空密封圈在使用過程中如果老化，應(yīng)及時(shí)更換，保證腔體之間的密封性能和真空度。

上述鉸鏈-螺紋結(jié)構(gòu)，其鎖緊原理為，兩個(gè)將要相互鎖緊的腔室，其一腔室上通過銷釘將一具有外螺紋的鉸鏈組件固定到腔室壁面上，而另一個(gè)腔室通過一具有內(nèi)螺紋的壓緊組件與具有外螺紋的鉸鏈組件緊固連接。

(8)腔室壁門設(shè)計(jì)

每個(gè)腔室都有前、后門，除了進(jìn)爐室的前門和出爐室的后門是用門手把手動(dòng)啟閉的外，其他腔室門都是通過plc控制電磁閥、步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)壁門的啟閉。這些壁門起到了封閉真空環(huán)境作用的，故而處于腔體邊緣處的壁內(nèi)，只有裝有燃料電池金屬極板的支架需要在相鄰腔室之間穿梭的時(shí)候才通過plc控制電磁閥和步進(jìn)電機(jī)等啟閉之，其余時(shí)間這些壁門起到了封閉腔室、保持真空度的保壓作用和隔絕外部環(huán)境作用。這種設(shè)計(jì)由于腔體沒有直接暴露在空氣中，所以真空度維持在較高的水平，減少了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)裝爐之后需要從大氣壓重新開始抽氣的缺點(diǎn)，極大地提高了生產(chǎn)效率。

上述的壁門為金屬板，其下端有若干可以滾動(dòng)的滾輪。壁門工作時(shí)，在預(yù)設(shè)的槽內(nèi)滾動(dòng)。當(dāng)壁門開啟的時(shí)候，plc控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)壁門向遠(yuǎn)離腔體的方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壁門到達(dá)預(yù)設(shè)位置之后，鎖緊壁門使其固定。當(dāng)壁門關(guān)閉時(shí)，控制體系控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)壁門向腔體的方向運(yùn)動(dòng)，待壁門到達(dá)預(yù)設(shè)位置之后，通過自鎖機(jī)構(gòu)使壁門緊閉。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備的鍍膜方法，其鍍膜的步驟如下：

(1)將掛好燃料電池金屬極板的轉(zhuǎn)架推進(jìn)進(jìn)爐室預(yù)抽氣。此時(shí)將進(jìn)爐室孔徑較小的抽氣口打開，預(yù)抽氣達(dá)到3×10³pa～7×10³pa。然后通過閥門切換，打開孔徑較大的抽氣口，加快抽氣速度。待進(jìn)爐室的氣壓達(dá)到1～10pa左右時(shí)，可以將進(jìn)爐室與前處理室相連。

(2)此時(shí)plc控制系統(tǒng)控制進(jìn)爐室后門和前處理室前門的電機(jī)，打開進(jìn)爐室的后門和前處理室的前門，使得支架在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，沿著流水線導(dǎo)軌順利進(jìn)入前處理室內(nèi)。此時(shí)plc控制系統(tǒng)控制進(jìn)爐室后門和前處理室前門關(guān)閉。此時(shí)，進(jìn)爐室可以與前處理室脫離。進(jìn)爐室可以推至裝爐區(qū)，準(zhǔn)備裝掛下一爐的燃料電池金屬極板產(chǎn)品，并開始預(yù)抽真空。轉(zhuǎn)架進(jìn)入前處理室之后，待分子泵抽真空到達(dá)8×10^-5pa～4×10^-4pa時(shí)，通過plc控制系統(tǒng)啟動(dòng)離子源電源，開始離子源清洗步驟。離子源電壓大小控制為700v～1800v，清洗時(shí)間10min～20min。與此同時(shí)，通過plc控制系統(tǒng)啟動(dòng)加熱裝置，通過輻射加熱將轉(zhuǎn)架上的金屬極板溫度大小控制到60℃～200℃。

(3)當(dāng)前處理步驟完畢之后，plc控制系統(tǒng)控制前處理室后門和第一鍍膜室前門開啟，轉(zhuǎn)架在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，沿著流水線導(dǎo)軌進(jìn)入第一鍍膜室。然后plc控制系統(tǒng)及時(shí)控制前處理室后門和第一鍍膜室前門關(guān)閉。待真空度穩(wěn)定到1×10^-5pa～3×10^-5pa時(shí)，plc控制系統(tǒng)控制陰極靶材電源開啟，控制其電流大小為0.5a～10a，同時(shí)控制轉(zhuǎn)架偏壓電源為-50v～-200v，與此同時(shí)，控制轉(zhuǎn)架系統(tǒng)進(jìn)行前進(jìn)-后退-前進(jìn)-后退的往返式運(yùn)動(dòng)。具體參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際的陰極類型、靶材類型等進(jìn)行優(yōu)化。

(4)當(dāng)?shù)讓咏饘賹渝兺曛?，plc控制系統(tǒng)控制第一鍍膜室后門和第二鍍膜室前門開啟，轉(zhuǎn)架在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，沿著流水線導(dǎo)軌進(jìn)入第二鍍膜室，準(zhǔn)備進(jìn)行抗腐蝕導(dǎo)電層鍍膜。然后plc控制系統(tǒng)及時(shí)控制第一鍍膜室后門和第二鍍膜室前門關(guān)閉。待真空度穩(wěn)定到1×10^-5pa～3×10^-5pa時(shí)，plc控制系統(tǒng)根據(jù)制訂的工藝方案，開啟離子源，控制其電壓為800v～1800v，同時(shí)開啟靶材電源。與此同時(shí)，控制轉(zhuǎn)架系統(tǒng)進(jìn)行前進(jìn)-后退-前進(jìn)-后退的往返式運(yùn)動(dòng)。具體參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際的陰極類型、靶材類型等進(jìn)行優(yōu)化。

(5)當(dāng)導(dǎo)電抗腐蝕層鍍完之后，plc控制系統(tǒng)控制第二鍍膜室后門和后處理室前門開啟，轉(zhuǎn)架在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，沿著流水線導(dǎo)軌進(jìn)入后處理室，準(zhǔn)備進(jìn)行后處理。然后plc控制系統(tǒng)及時(shí)控制第二鍍膜室后門和后處理室前門關(guān)閉。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的后處理室通過熱處理單元和微缺陷處理單元等分別對(duì)燃料電池金屬極板涂層熱處理和燃料電池金屬極板涂層微缺陷處理等功能。其熱處理的原理為，通過熱輻射加熱燃料電池金屬極板，使其表面涂層進(jìn)行熱處理，釋放應(yīng)力等。至于微缺陷的處理，其原理則為利用對(duì)微缺陷露出的微孔道通過對(duì)其進(jìn)行氧化等處理，使其形成抗腐蝕的氧化物孔道。

(6)后處理完畢之后，plc控制系統(tǒng)開啟后處理室后門和出爐室前門，待支架完全進(jìn)入出爐室之后，plc控制系統(tǒng)關(guān)閉后處理室后門和出爐室前門。然后plc控制系統(tǒng)發(fā)出通知，工作人員進(jìn)行出爐，卸下燃料電池金屬極板，并將轉(zhuǎn)架運(yùn)送到裝爐區(qū)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(一)本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備設(shè)計(jì)了各個(gè)腔室相互獨(dú)立，可拆卸模式的流水線腔體，具有維修方便、靈活性高、可靠性好、維護(hù)保養(yǎng)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)；

(二)本發(fā)明設(shè)計(jì)了多個(gè)過渡室(包括進(jìn)爐室、前處理室、后處理室和出爐室等)作為緩沖腔室，并根據(jù)燃料電池真空鍍膜每一步驟對(duì)真空度要求、清洗、后處理等需求，賦予每個(gè)過渡室各自特殊的功能；

(三)相比于現(xiàn)有圓形腔室空間大、抽真空慢的缺點(diǎn)，每個(gè)流水線腔室都經(jīng)過設(shè)計(jì)使之空間盡可能小，加快抽氣速度，同時(shí)，各腔室之間的緊密封閉設(shè)計(jì)，使得各腔室的真空度維持在一個(gè)較高水平，當(dāng)其工作時(shí)，不需要每次都重新從大氣壓開始抽氣，節(jié)省了抽氣工作量，提高了抽氣效率；

(四)設(shè)計(jì)了多個(gè)靶材、多種陰極、離子源配合的方式，根據(jù)不同需求的燃料電池金屬極板性能要求，對(duì)陰極靶材、離子源等靈活組合選擇，保證了抗腐蝕導(dǎo)電涂層的致密性和導(dǎo)電性需求；

(五)設(shè)計(jì)了后處理腔室，進(jìn)一步提高了燃料電池金屬極板表面改性涂層的性能，進(jìn)一步提高了燃料電池金屬極板的使用壽命。

(六)本發(fā)明的燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備，結(jié)構(gòu)精簡，功能齊全，安裝方面，維護(hù)可靠，將燃料電池金屬極板真空鍍膜多個(gè)環(huán)節(jié)集中在一個(gè)流水線中處理，大大提高了生產(chǎn)效益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的第二鍍膜室內(nèi)的支架與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配示意圖；

圖4為本發(fā)明的第二鍍膜室內(nèi)的支架與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的局部剖視放大示意圖；

圖5為本發(fā)明的支架的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的支架的左視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的鎖緊機(jī)構(gòu)的裝配示意圖；

圖8為本發(fā)明的plc控制系統(tǒng)的控制示意圖；

圖9為本發(fā)明的鍍膜方法的流程示意圖；

圖中，1-進(jìn)爐室前門，2-進(jìn)爐室腔體，3-進(jìn)爐室后門，4-前處理室前門，5-前處理室腔體，6-前處理室后門，7-第一鍍膜室前門，8-第一鍍膜室腔體，9-第一鍍膜室后門，10-第二鍍膜室前門，11-第二鍍膜室腔體，12-第二鍍膜室后門，13-后處理室前門，14-后處理室腔體，15-后處理室后門，16-出爐室前門，17-出爐室腔體，18-出爐室后門，19-壁門通道，20-轉(zhuǎn)架柱，21-轉(zhuǎn)架上蓋，22-轉(zhuǎn)架座，23-齒輪，24-滑塊，25-流水線導(dǎo)軌，26-齒條座，27-轉(zhuǎn)架，28-鎖緊機(jī)構(gòu)頭部，29-鎖緊機(jī)構(gòu)鉸鏈，30-銷軸。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1和圖2所示，一種燃料電池金屬極板真空鍍膜流水線設(shè)備，包括由沿流水線依次聯(lián)結(jié)的進(jìn)爐室、前處理室、第一鍍膜室、第二鍍膜室、后處理室和出爐室組成的真空腔室組，用于安置待處理的燃料電池金屬極板的支架，穿過真空腔室組的流水線導(dǎo)軌25，驅(qū)動(dòng)支架沿流水線導(dǎo)軌移動(dòng)的動(dòng)力組件，以及控制整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行的plc控制系統(tǒng)。

具體包括：進(jìn)爐室前門1、進(jìn)爐室腔體2、進(jìn)爐室后門3、前處理室前門4、前處理室腔體5、前處理室腔體6、第一鍍膜室前門7、第一鍍膜室腔體8、第一鍍膜室腔體9、第二鍍膜室前門10、第二鍍膜室腔體11、第二鍍膜室后門12、后處理室前門13、后處理室腔體14、后處理室后門15、出爐室前門16、出爐室腔體17、出爐室后門18等各腔室腔體與封閉各腔室腔體的各壁門，以及各壁門通道19、若干轉(zhuǎn)架27、齒條座26、齒輪23、流水線導(dǎo)軌25、滑塊24等。另外還有組成動(dòng)力組件或設(shè)置在真空腔室內(nèi)的絲桿、伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、磁流體、機(jī)械泵、羅茨泵、分子泵、高閥、靶材、陰極、離子源、真空密封圈、腔室鎖緊機(jī)構(gòu)、冷卻水系統(tǒng)、惰性氣體氣路等等諸多零部件。

如圖2所示，除了進(jìn)爐室前門和出爐室后門之外，位于兩腔室之間的壁門處設(shè)有壁門通道19，壁門通道19的材料可以采用不導(dǎo)磁的不銹鋼等高強(qiáng)的材料。壁門在壁門通道中移動(dòng)，底下裝有若干滾輪可以實(shí)現(xiàn)在通道上滾動(dòng)。當(dāng)壁門需要啟閉時(shí)，plc控制系統(tǒng)發(fā)出自指令，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿與壁門螺紋套聯(lián)結(jié)，從而帶動(dòng)壁門在通道內(nèi)滾動(dòng)。通過控制系統(tǒng)可以控制伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉。另外，為了實(shí)現(xiàn)密封要求，壁門與腔室壁之間還有真空密封圈，可保證密封。

圖3和圖4為本發(fā)明的支架與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在第二鍍膜室內(nèi)的裝配圖。如圖5和圖6所示，支架包括轉(zhuǎn)架柱20、轉(zhuǎn)架上蓋21、轉(zhuǎn)架座22、若干轉(zhuǎn)架27，轉(zhuǎn)架座22與轉(zhuǎn)架上蓋21通過轉(zhuǎn)架柱20固定在一起并組成支架本體，轉(zhuǎn)架上蓋21和轉(zhuǎn)架座22上具有若干個(gè)錐孔和通孔，轉(zhuǎn)架27通過錐形套與轉(zhuǎn)架上蓋21配合，轉(zhuǎn)架27下方通過轉(zhuǎn)架座22的通孔，并與下方的齒輪23通過銷緊固連接，齒輪23與沿流水線導(dǎo)軌25方向布置的齒條座26咬合。滑塊24設(shè)置在流水線導(dǎo)軌25上，并可以流水線導(dǎo)軌25自由移動(dòng)。轉(zhuǎn)架座22通過螺柱與滑塊24連接。轉(zhuǎn)架座22前進(jìn)后退的動(dòng)力來源于安裝在轉(zhuǎn)架座22上的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過聯(lián)軸器將長絲桿與轉(zhuǎn)架座55下的螺紋套連接，當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)架座22帶動(dòng)滑塊24在流水線導(dǎo)軌25上移動(dòng)，進(jìn)一步帶動(dòng)了齒輪23與齒條座26的嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)了轉(zhuǎn)架27的自轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將會(huì)使得轉(zhuǎn)架27的反方向自轉(zhuǎn)。通過這樣的傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)架座22的前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)架27的自轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，控制精確。

為了實(shí)現(xiàn)壁門的開閉，流水線導(dǎo)軌25鋪設(shè)的時(shí)候，到壁門通道29的時(shí)候應(yīng)該斷開，流出壁門厚度的間距，大概10mm。由于滑塊24的作用，雖然導(dǎo)軌有斷開，但是轉(zhuǎn)架座仍可以順利前進(jìn)。

如圖7所示，鎖緊機(jī)構(gòu)頭部(即壓緊組件)28與鎖緊機(jī)構(gòu)鉸鏈(即鉸鏈組件)29構(gòu)成了鉸鏈-螺紋鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊機(jī)構(gòu)鉸鏈29通過銷軸30與腔室連接。當(dāng)腔室與腔室之間需要脫離時(shí)，通過內(nèi)六角扳手?jǐn)Q開鎖緊機(jī)構(gòu)頭部28即可松開螺紋，然后掰轉(zhuǎn)之即可實(shí)現(xiàn)腔室脫離。反之，通過掰轉(zhuǎn)至合適位置再擰緊，即可確保鎖緊腔室。

本發(fā)明的各個(gè)電機(jī)可分別與plc控制系統(tǒng)連接。本發(fā)明提供了燃料電池金屬極板真空鍍膜系統(tǒng)，控制系統(tǒng)操作簡單，界面人性化，控制方便，功能多樣化，可供實(shí)驗(yàn)室、企業(yè)生產(chǎn)、科研單位等研究燃料電池金屬極板表面改性涂層。

實(shí)施例1

第二鍍膜室配置三對(duì)石墨靶，順著轉(zhuǎn)架座前進(jìn)的方向，第一對(duì)石墨靶陰極為閉合場(chǎng)非平衡場(chǎng)磁控靶，矩形平面磁控靶，接著是離子源，第二對(duì)石墨靶為平衡磁場(chǎng)矩形平面磁控靶石墨靶，第三對(duì)石墨靶為閉合場(chǎng)非平衡磁控靶，其中非平衡方式均為相對(duì)對(duì)靶結(jié)構(gòu)。這一種布局方式是基于這樣子的考慮：

平衡磁控濺射靶材濺射與非平衡磁控濺射靶材濺射出來制備的薄膜有一定的差異，通過這種布置可以構(gòu)成硬質(zhì)-軟質(zhì)-硬質(zhì)相互交替的涂層體系，有利于避免抗腐蝕導(dǎo)電涂層由于應(yīng)力過大的失效現(xiàn)象。另外，這種涂層體系，還能避免柱狀晶的生長，更有利于形成致密性高的等軸晶薄膜。

在這種靶材布置格局前提下，其工藝制備方法如下：

1)預(yù)備工作，包括沖壓金屬極板、單極板焊接、清洗等步驟。金屬極板的清洗流程為堿洗-去離子水超聲波清洗-酸洗-去離子水超聲波清洗-去離子水超聲波清洗-酒精超聲波-烘干；

2)進(jìn)爐室裝爐，為了保證進(jìn)爐室的真空度，本發(fā)明采用的裝爐方式為：在無塵室內(nèi)支架在腔室外部，將燃料電池金屬極板裝上支架之后，再將支架推入進(jìn)爐室；

3)進(jìn)爐室抽真空到達(dá)1～10pa；

4)進(jìn)入前處理室，開啟等離子體清洗約5～20min；

5)進(jìn)入第一鍍膜室內(nèi)，抽真空達(dá)到要求，沉積底層元素；

6)進(jìn)入第二鍍膜室，沉積非晶碳涂層。具體為：第一對(duì)石墨靶電源電流為3a，氬氣流量為15sccm，第二對(duì)石墨靶電源電流為5a，氬氣流量為20sccm，第三對(duì)石墨靶電源電流為3a，氬氣流量為15sccm；

7)進(jìn)入后處理室進(jìn)行后處理；

8)出爐室卸產(chǎn)品。

實(shí)施例2

第二鍍膜室配置三對(duì)石墨靶，順著轉(zhuǎn)架座前進(jìn)的方向，第一對(duì)石墨靶陰極為閉合場(chǎng)非平衡場(chǎng)矩形平面磁控石墨靶，接著是離子源，第二對(duì)石墨靶為平衡磁場(chǎng)矩形平面磁控靶石墨靶，接著是第三對(duì)靶材為平衡磁場(chǎng)矩形平面磁控靶鈮靶，第四對(duì)靶材為非平衡場(chǎng)矩形平面磁控靶矩形平面磁控石墨靶。這種靶材布局方式是基于以下的考慮：

在非晶碳涂層中摻雜nb有利于提高燃料電池金屬極板的抗腐蝕性能，另外，實(shí)現(xiàn)nb的摻雜還可以避免非晶碳涂層服役過程中接觸電阻的增加。

在這種靶材布置格局前提下，其工藝制備方法如下：

1)預(yù)備工作，包括沖壓金屬極板、單極板焊接、清洗等步驟。金屬極板的清洗流程為堿洗-去離子水超聲波清洗-酸洗-去離子水超聲波清洗-去離子水超聲波清洗-酒精超聲波-烘干；

2)進(jìn)爐室裝爐，為了保證進(jìn)爐室的真空度，本發(fā)明采用的裝爐方式為：在無塵室內(nèi)支架在腔室外部，將燃料電池金屬極板裝上支架之后，再將支架推入進(jìn)爐室；

3)進(jìn)爐室抽真空到達(dá)1～10pa；

4)進(jìn)入前處理室，開啟等離子體清洗約5～20min；

5)進(jìn)入第一鍍膜室內(nèi)，抽真空達(dá)到要求，沉積底層元素；

6)進(jìn)入第二鍍膜室，沉積非晶碳涂層。具體為：第一對(duì)石墨靶電源電流為3a，氬氣流量為15sccm，第二對(duì)石墨靶電源電流為5a，氬氣流量為20sccm，第三對(duì)鈮靶電源電流為0.7a，氬氣流量為19sccm，第四對(duì)石墨靶電源電流為5a，氬氣流量為20sccm；

7)進(jìn)入后處理室進(jìn)行后處理；

8)出爐室卸產(chǎn)品。

實(shí)施例3

第二鍍膜室配置三對(duì)au靶，三對(duì)au靶陰極均為閉合場(chǎng)非平衡場(chǎng)矩形平面磁控靶。第二鍍膜室內(nèi)壁上布置了au回收裝置?？紤]到這種工藝的特點(diǎn)，因此未采用離子源裝置。

在這種靶材布置格局前提下，其工藝制備方法如下：

1)預(yù)備工作，包括沖壓金屬極板、單極板焊接、清洗等步驟。金屬極板的清洗流程為堿洗-去離子水超聲波清洗-酸洗-去離子水超聲波清洗-去離子水超聲波清洗-酒精超聲波-烘干；

2)進(jìn)爐室裝爐，為了保證進(jìn)爐室的真空度，本發(fā)明采用的裝爐方式為：在無塵室內(nèi)支架在腔室外部，將燃料電池金屬極板裝上支架之后，再將支架推入進(jìn)爐室；

3)進(jìn)爐室抽真空到達(dá)1～10pa；

4)進(jìn)入前處理室，開啟等離子體清洗約5～20min；

5)進(jìn)入第一鍍膜室內(nèi)，抽真空達(dá)到要求，沉積底層元素；

6)進(jìn)入第二鍍膜室，沉積au涂層。具體為：同時(shí)開啟三對(duì)au靶，控制其電流為5a，并控制轉(zhuǎn)架系統(tǒng)在第二鍍膜室內(nèi)前進(jìn)-后退循環(huán)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為500mm/min，另外氬氣流量為20sccm，沉積時(shí)間2min；

7)進(jìn)入后處理室進(jìn)行后處理；

8)出爐室卸產(chǎn)品。

實(shí)施例4

第二鍍膜室配置三對(duì)石墨靶，順著轉(zhuǎn)架座前進(jìn)的方向，第一對(duì)石墨靶陰極為閉合場(chǎng)非平衡場(chǎng)磁控靶，矩形平面磁控靶，接著是離子源，第二對(duì)石墨靶為平衡磁場(chǎng)矩形平面磁控靶石墨靶，第三對(duì)石墨靶為閉合場(chǎng)非平衡磁控靶，其中非平衡方式均為相對(duì)對(duì)靶結(jié)構(gòu)。這一種布局方式是基于這樣子的考慮：

平衡磁控濺射靶材濺射與非平衡磁控濺射靶材濺射出來制備的薄膜有一定的差異，通過這種布置可以構(gòu)成硬質(zhì)-軟質(zhì)-硬質(zhì)相互交替的涂層體系，有利于避免抗腐蝕導(dǎo)電涂層由于應(yīng)力過大的失效現(xiàn)象。另外，這種涂層體系，還能避免柱狀晶的生長，更有利于形成致密性高的等軸晶薄膜。

在這種靶材布置格局前提下，工藝制備方法如下：

(1)將掛好燃料電池金屬極板的轉(zhuǎn)架推進(jìn)進(jìn)爐室預(yù)抽氣。此時(shí)將進(jìn)爐室孔徑較小的抽氣口打開，預(yù)抽氣達(dá)到3×10³pa～7×10³pa。然后通過閥門切換，打開孔徑較大的抽氣口，加快抽氣速度。待進(jìn)爐室的氣壓達(dá)到1～10pa左右時(shí)，可以將進(jìn)爐室與前處理室相連。

(2)此時(shí)plc控制系統(tǒng)控制進(jìn)爐室后門和前處理室前門的電機(jī)，打開進(jìn)爐室的后門和前處理室的前門，使得支架在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，沿著流水線導(dǎo)軌順利進(jìn)入前處理室內(nèi)。此時(shí)plc控制系統(tǒng)控制進(jìn)爐室后門和前處理室前門關(guān)閉。此時(shí)，進(jìn)爐室可以與前處理室脫離。進(jìn)爐室可以推至裝爐區(qū)，準(zhǔn)備裝掛下一爐的燃料電池金屬極板產(chǎn)品，并開始預(yù)抽真空。轉(zhuǎn)架進(jìn)入前處理室之后，待分子泵抽真空到達(dá)8×10^-5pa～4×10^-4pa時(shí)，通過plc控制系統(tǒng)啟動(dòng)離子源電源，開始離子源清洗步驟。離子源電壓大小控制為700v～1800v，清洗時(shí)間10min～20min。與此同時(shí)，通過plc控制系統(tǒng)啟動(dòng)加熱裝置，通過輻射加熱將轉(zhuǎn)架上的金屬極板溫度大小控制到60℃～200℃。

(3)當(dāng)前處理步驟完畢之后，plc控制系統(tǒng)控制前處理室后門和第一鍍膜室前門開啟，轉(zhuǎn)架在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，沿著流水線導(dǎo)軌進(jìn)入第一鍍膜室。然后plc控制系統(tǒng)及時(shí)控制前處理室后門和第一鍍膜室前門關(guān)閉。待真空度穩(wěn)定到1×10^-5pa～3×10^-5pa時(shí)，plc控制系統(tǒng)控制陰極靶材電源開啟，控制其電流大小為0.5a～10a，同時(shí)控制轉(zhuǎn)架偏壓電源為-50v～-200v，與此同時(shí)，控制轉(zhuǎn)架系統(tǒng)進(jìn)行前進(jìn)-后退-前進(jìn)-后退的往返式運(yùn)動(dòng)。具體參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際的陰極類型、靶材類型等進(jìn)行優(yōu)化。

(4)當(dāng)?shù)讓咏饘賹渝兺曛?，plc控制系統(tǒng)控制第一鍍膜室后門和第二鍍膜室前門開啟，轉(zhuǎn)架在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，沿著流水線導(dǎo)軌進(jìn)入第二鍍膜室，準(zhǔn)備進(jìn)行抗腐蝕導(dǎo)電層鍍膜。然后plc控制系統(tǒng)及時(shí)控制第一鍍膜室后門和第二鍍膜室前門關(guān)閉。待真空度穩(wěn)定到1×10^-5pa～3×10^-5pa時(shí)，plc控制系統(tǒng)根據(jù)制訂的工藝方案，開啟離子源，控制其電壓為800v～1800v，同時(shí)開啟靶材電源。與此同時(shí)，控制轉(zhuǎn)架系統(tǒng)進(jìn)行前進(jìn)-后退-前進(jìn)-后退的往返式運(yùn)動(dòng)。具體參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際的陰極類型、靶材類型等進(jìn)行優(yōu)化。

(5)當(dāng)導(dǎo)電抗腐蝕層鍍完之后，plc控制系統(tǒng)控制第二鍍膜室后門和后處理室前門開啟，轉(zhuǎn)架在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，沿著流水線導(dǎo)軌進(jìn)入后處理室，準(zhǔn)備進(jìn)行后處理。然后plc控制系統(tǒng)及時(shí)控制第二鍍膜室后門和后處理室前門關(guān)閉。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。