說明:
1.本文為接續上文《氫燃料電池膜電極(MEA)生產工藝詳解》
2.上文講到三合一的MEA已經加工完成。三合一分別為中間層PEM、陰陽兩側催化劑層。
3.今天接續《氣體擴散層GDL的生產工藝以及最終貼合工藝詳解》形成七合一的MEA模組.
4.七合一一般指:在三合一的基礎上加入包含微孔層MPL的氣體擴散層GDL
5.一般來說會傾向于將微孔層MPL與擴散層GDL燒結在一體。
下? 面? 正? 式? 開? 篇
?
一、GDL生產、與MEA貼合工藝流程總述
工藝流程圖
GDL工藝說明:
-
切碎碳纖維——形成碳紙——碳紙樹脂浸漬——石墨化——憎水處理——燒結微孔層——與前制程形成的MEA貼合
-
本GDL工藝從碳纖維開始。碳纖維的制造工藝這里不再描述。
二、GDL的生產、與MEA的貼合具體工藝詳解
1.切碎碳纖維
?
切碎碳纖維的工藝流程示意圖
1)物料準備
干燥的碳纖維材料。
2)切碎纖維所有設備
壓輥、刀片輥、帶有聚合塑料齒的鋼輥、碎纖維接料斗。(也可用切斷機替代以上設備實現切碎纖維的工藝)
切碎碳纖維原理示意圖
說明:主要是實現碳纖維束切斷,可以用其他工藝替代。
3)啟動設備切碎碳纖維。
工作原理為:圖示藍色聚合塑料齒壓住碳纖維,黃色刀片輥圖示灰色為切刀切斷碳纖維,圖示黃色為含有高壓氣流的聚合塑料齒用來給切割施壓和將切斷的碎料脫落。
4)切碎過程參數控制:
a.切割速度:9m/分鐘
b.纖維切斷長度:6~12mm
c.壓輥壓力:0.1MPa
5)影響品質因素
切刀的鋒利程度、切刀材料和形狀
6)品質特征
碎纖維的表面形狀和外觀
2.形成碳紙(造碳紙)
形成碳紙的流程示意圖
1)材料準備
上制程加工好的碎纖維、聚合物粘結劑、水。
2)所用設備
料斗(裝碳纖維和粘結劑混合懸浮液)、斜篩網、壓輥、加熱輥、傳送帶(如上圖設備部件標注)。也可以采用類似無紡布等生產工藝設備替代。
3)加工流程:
a.懸浮液從料斗均勻分布到篩網上,篩網可以將懸浮物留在網帶上,其余溶劑以及水分從網眼向下排出。
b.經過壓輥擠壓整平排水形成為干燥的碳紙。
c。潮濕碳紙經過多次熱輥干燥形成干燥的碳紙同時粘結劑也固化了。
d.通過冷卻壓延結構形成最終碳紙。
e.采用質量傳感器監控碳紙質量分布均勻度等。
4)造紙過程參數控制
a.生產能力:300~320平方米/小時。
b.比重15~70g/平方米。
c.材料厚度:150~300 μm。
d.粘合劑含量:≤25%。
e.采用質量傳感器監控碳紙質量分布均勻度等。
5)影響品質因素
懸浮液的含水量、壓延過程間隙和壓力的控制、纖維分布狀況、粘合劑的均勻分布、碳紙張力等。
6)品質特征
碳紙厚度均勻性、材料表面平滑、碳紙濕強度、表面無破壞。
3.碳紙樹脂浸漬
碳紙樹脂浸漬工藝示意圖
1)所需材料:
前制程制備好的干燥碳紙、熱固性樹脂(如酚醛樹脂等)
2)所需設備:
傳送輥、壓輥、導向輥、隧道式烤爐、浸漬槽等。(可以采用紅外干燥以及分切后隔離堆疊的方式去替代)
3)加工流程:
a.用熱固性樹脂(例如酚醛樹脂)浸漬碳紙,以獲得所需的材料強度和孔隙率。此外,經過石墨化處理后,導電性和導熱性增加。
b.通過壓輥去除多余的液體。
c.在150度的隧道式烤爐內揮發殘留溶劑并固化樹脂。
4)樹脂浸漬過程參數控制
a.干燥溫度:150度。
b.材料厚度:200~270 μm。
5)影響品質因素
浸漬所有樹脂的材料成分構成、干燥時間、干燥溫度。
6)品質特征
材料厚度和密度。
4.石墨化(為了獲得更好的彈性模量和更高的電氣以及機械性能、導熱性、抗氧化性)
石墨化工藝示意圖
1)所需材料:
前制程浸漬樹脂后的碳紙。
2)所需設備:
傳送輥、烤爐(在氮氣或者氬氣或者真空狀態的環境內,溫度約為1400~2000度)。可用惰性或者真空環境的批量碳化設備替代。
3)加工流程:
a.碳紙在惰性氣體環境(氮氣、氬氣)或在真空中下的熔爐中加熱,加熱至約1400-2000°C的溫度(在間歇過程中超過2000°C)。
b.烤爐內會有不同的溫度區,最后在冷卻區冷卻至常溫。
c.最終形成厚度為150至300μm的材料。
4)石墨化過程參數控制
a.烤爐過程溫度:1500~2500度。
b.材料厚度:150~300 μm。
c.材料密度:0.2~0.3g/立方厘米
d.工藝時間:自動流水線≤5分鐘、間歇式工藝:≤15分鐘(以上均在惰性氣體或者真空狀態下操作)
5)影響品質因素
石墨化過程溫度曲線(趨勢)管理、去除熱解產物的低溫石墨化階段、烤爐的惰性工作環境。
6)品質特征
樹脂的熱解度≥99.5%、產品無死角全覆蓋、電導率、碳含量。
5.憎水處理
憎水處理工藝流程示意圖
1)所需材料:
前制程石墨化處理后的碳紙、憎水劑(PTFE類、氟乙烯、丙烯(FEP))。
2)所需設備:
傳送輥、隧道烤爐、壓輥、導向輥、浸漬槽等。(可以用噴涂、涂布等其他工藝來代替處理)
3)加工流程:
a.將GDL基板在PTFE浸漬槽中浸漬。
b.經過壓輥去除多余溶液,有助于調整疏水性。
c.GDL中的PTFE可以由懸浮液的比例進行調整。
d.通過烤爐干燥去除剩余溶劑,約在300°C-350°C下燒結將PTFE顆粒結合到基材上。
e.干燥過程的速度影響PTFE在材料中的分布。快速干燥將導致PTFE保留在表面區域,而緩慢干燥能確保整體分布均勻。
4)憎水處理過程參數控制
a.干燥溫度:300~350度。
b.PTFE質量分數:5~10%。
c.材料厚度:200~270 μm。
5)影響品質因素
憎水劑的成分、干燥時間、干燥溫度。
6)品質特征
PTFE的均勻分布。
6.微孔層MPL燒結(主要作用是反應氣體均勻分布和水管理,去除液態水)
微孔層MPL燒結工藝流程示意圖
1)所需材料:
前制程憎水處理后的碳紙、MPL材料(由碳或石墨顆粒和聚合物粘合劑(如PTFE)組成,其孔徑在100至500 nm之間;碳紙孔徑一般在10~30?μm之間)。
2)所需設備:
傳送輥、隧道烤爐、涂布設備、縱向分切刀具、在線攝像監控系統等。(可用的替代設備狹縫涂布、絲網涂布、噴涂等)
3)加工流程:
a.用刮刀將MPL漿料涂布于前制程加工好的材料上,大約厚度<50?μm。
b.采用慢干的方式可以有效改善裂紋,同時增加MPL層的附著力。
c.對干燥后的GDL進行分切,經過CCD進行品質檢查,標記缺陷產品,最終采用離型膜分隔包裝。
4)MPL燒結過程參數控制
a.MPL孔徑:100~500nm。
b.燒結過程時間:≤10分鐘。
c.燒結過程溫度:250~350度(逐漸溫升有利于改善干燥效果)
d.MPL層厚度:<50nm。
5)影響品質因素
憎水劑的成分、干燥時間、干燥溫度。
6)品質特征
MPL的附著力、干燥溫度不能超過其熔點、MPL表面無損平滑。
7.完整的GDL與前制程加工好的MEA貼合
最終貼合工藝流程示意圖
1)所需材料:
成品GDL、上章節內容里加工好的MEA、熱壓粘合劑。
2)所需設備:
傳送輥(帶)、導向輥、粘結劑涂布設備、熱壓輥、刀模輥、縱向切割刀模、交叉切割模。(其他不連續的貼合生產設備、粘合劑涂布設備)
3)加工流程:
a.CCM在兩側連接到GDL,然后分離。形成帶保護膜層的MEA。。
b.將粘合劑涂抹在GDL上,根據需要的幾何形狀對GDL進行沖切孔。
c.沖切好孔位的GDL定位在MEA密封邊框的頂部和底部。
d.經過熱壓進行連接。
e.根據產品工藝設計進行縱橫向切割。
f.由于材料的特性導致該加工過程位置精度不是很好管控,需要特別注意公差管理。
4)MPL燒結過程參數控制
a.熱壓溫度:100~160度。
b.接觸壓力:1.000 ~10.000 kgf/cm2。
5)影響品質因素
整個加工系統軸向、徑向角度和偏移量的管控,供料速度、熱壓溫度和壓力、以及時間的組合管理,主動壓力持續時間。
6)品質特征
GDL的位置精度、連接強度、切割幾何形狀的精確度。
以上工藝過程就完成了完整的七合一的MEA制作
原文始發于微信公眾號(氫眼所見):氫燃料電池氣體擴散層GDL的生產、MEA貼合工藝詳解