CN111530679A - 一种自动喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动喷涂装置，其包括：设置有加热装置的加热箱体，加热箱体内形成一喷涂作业空腔，自动喷涂装置作业时，加热箱体中的加热装置对喷涂作业空腔进行加热；喷涂作业空腔中设置有喷枪以及用于固定待喷涂工件的工作台，当待喷涂工件固定在工作台上，喷枪将喷涂材料喷涂到待喷涂工件上。在喷涂作业时，加热箱的设置可以使得自动喷涂装置作业时喷涂作业空腔也即喷涂环境中的温度维持在预设的较高的环境中，保证喷涂环境温度的一致性，降低了喷涂材料的浪费量且很好的解决了喷涂材料的溶剂挥发速度慢，溶剂与喷涂工件尤其是与质子交换膜接触时间长导致的质子交换膜产生溶胀的问题，极大的提升了喷涂后工件特别是膜电极的质量。

Description

一种自动喷涂装置

技术领域

本发明涉及一种自动喷涂装置，属于自动喷涂设备技术领域。

背景技术

在自动喷涂技术领域，往往要求喷涂材料喷涂到待喷涂工件上需要快速的挥发才能保证喷涂材料在喷涂工件上可高质量均匀的贴附同时防止溶剂与喷涂工件长时间的接触对喷涂工件的形状和结构带来的如溶胀、腐蚀、变形等不良影响，尤其是对于在膜材料上进行喷涂作业时，更加要求喷涂材料能喷涂在膜材料后进行快速的挥发，避免造成膜材料的溶胀。

氢能作为一种具有发展前景的新兴清洁能源，属于我国能源布局方向。氢燃料电池作为氢能的利用方式之一，以其环境友好、能量密度高、无电解液腐蚀泄露问题等优势在近年来也表现出蓬勃的发展趋势。因此，氢燃料电池已经开始逐步应用于备用电源、电动汽车、新能源家电等领域。

膜电极作为燃料电池中的核心部件，其工作状态会直接影响电池的寿命和输出功率。3CCM是在质子交换膜两侧分别依附催化层的一种电极结构，属于膜电极的核心，如何实现高效率地利用催化剂也成为了广泛关注的问题。

目前，3CCM的制备方法主要有喷涂、狭缝涂布和转印等。狭缝涂布是一种将催化剂浆液直接以涂布的方式直接覆于质子交换膜两侧的方法，其具有较高的涂布效率，可以一次涂布完成，但是由于该方法要求催化剂浆液的粘度较大，且磨头在环境中暴露的时间较长，很容易引起催化剂浆液在磨头区域的结块，进而导致涂覆得到的催化层厚度不均。转印法是以一种转印膜为中间载体，先将催化剂覆于转印膜上，再将转印膜与质子交换膜相结合，最终使催化层与质子交换膜相结合。这种方法可以有效地减少催化剂浆液中溶剂与质子交换膜结合的时间，减少质子交换膜的溶胀问题，但是其操作复杂，对转印膜的要求较高，不利于大规模的生产。

喷涂法则是将催化剂浆液直接喷涂到质子交换膜上制备成膜电极。该种制备方法较为简便，简化了制备工艺流程，提高了生产效率。但是，催化剂浆液直接接触质子交换膜容易引起质子交换膜的溶胀变形问题，进而影响3CCM的性能。现有技术中喷涂法一般需要用到自动喷涂装置，自动喷涂装置就是指一种可以通过程序控制喷涂的路径、速度以及流量的喷涂装置，这种自动化的装置引入不仅能够使喷涂具有可重复性和一致性，更能提高喷涂效率，使喷涂方法更具备工业化生产的条件。现有的自动喷涂装置缺乏对从喷涂装置中喷出的溶剂进行有效加热的加热装置，使得液体催化剂尤其是含有挥发性较差的溶剂的催化剂喷涂在膜上时难以使得催化剂浆液中的溶剂进行快速挥发，不能有效解决膜的溶胀问题。

现有技术中自动喷涂装置还存在喷涂料液在喷枪或者储存喷涂料液的料斗中储存时间过长容易使得喷涂料液尤其是催化剂浆液积聚沉淀，容易造成喷涂过程中的催化剂层的喷涂不均影响膜电极催化剂层结构和物化性能，最终影响膜电极以及应用其的燃料电池的性能。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种自动喷涂装置，其包括：设置有加热装置的加热箱体，加热箱体内形成一喷涂作业空腔，自动喷涂装置作业时，加热箱体中的加热装置对喷涂作业空腔进行加热；喷涂作业空腔中设置有喷枪以及用于固定待喷涂工件的工作台，当待喷涂工件固定在工作台上，喷枪将喷涂材料喷涂到待喷涂工件上。

进一步可选的，加热装置包括红外加热装置，在自动喷涂装置作业时，红外加热装置使喷涂作业空腔中的温度维持在预设温度范围内。

进一步可选的，待喷涂工件为质子交换膜，喷涂材料为催化剂浆液。

进一步可选的，工作台包括真空加热吸附平台，真空加热吸附平台包括空心罩体，空心罩体上表面形成一水平吸附面，水平吸附面上开设有多个第一吸气孔，第一吸气孔与空心罩体的内腔连通；空心罩体的内腔与抽真空装置连通；真空加热吸附平台设置有加热元件，加热元件用于对水平吸附面进行加热。

进一步可选的，水平吸附面上方可拆卸地或固定地设置有至少一个水平多孔板，水平多孔板上开设有多个第二吸气孔，第二吸气孔的孔径小于第一吸气孔和/或第二吸气孔的孔间距小于第一吸气孔。

进一步可选的，第二吸气孔的孔径的取值范围是[1μm,0.3mm]。

进一步可选的，真空加热吸附平台设置有卡扣组件，自动喷涂装置作业时，卡扣组件将质子交换膜压紧固定在真空加热吸附平台上，实现对质子交换膜水平方向上的固定。

进一步可选的，工作台还设置有X-Y伺服运行系统，X-Y伺服运行系统装配在真空加热吸附平台下方，带动真空加热吸附平台移动。

进一步可选的，加热箱体中设置有喷枪支架，喷枪支架设置有喷枪固定结构；喷枪固定结构设置有超声震荡器，超声震荡器用于对喷枪中的喷涂材料进行超声震荡。

进一步可选的，喷枪连接有喷枪数显控制系统，喷枪数显控制系统包括数显板，数显板设置在加热箱体外表面上。

有益效果

本发明至少具有以下有益效果：本发明公开的自动喷涂装置设置有加热装置的加热箱体，该加热装置包括有红外加热装置，在喷涂作业时，加热箱的设置可以使得自动喷涂装置作业时，喷涂作业空腔也即喷涂环境中的温度维持在预设的相较于室温较高的环境中，保证喷涂环境温度的一致性，相比于现有技术的自动喷涂装置或者手工喷涂装置更好的加快喷涂材料中溶剂的挥发速率；此外喷涂材料尤其是催化剂浆液在较高温度的环境下能够与质子交换膜充分接触，减少了催化剂跟随催化剂浆液中液态溶剂的流动，从而降低了催化剂浆液的浪费量；且很好的解决了喷涂材料的溶剂挥发速度慢，溶剂与喷涂工件尤其是与质子交换膜接触时间长导致的质子交换膜产生溶胀的问题，极大的提升了喷涂后工件特别是膜电极的质量。

本发明由于在真空加热吸附平台上加设了多孔板，故能够使质子交换膜受力更加均匀，相比于传统的真空加热吸附平台而言，降低了由于真空吸附力对膜的结构以及形状等方面造成的损伤。

本发明由于在真空加热吸附平台上采用了卡扣技术，故在催化剂喷涂的过程中能够对质子交换膜更好的进行固定，与传统的喷涂相比，一方面解决了质子交换膜的错位问题以及质子交换膜水平方向固定不稳以及质子交换膜乃至膜电极的收缩变形问题，另一方面解决了质子交换膜的溶胀问题。

本发明由于在喷枪连接有喷枪数显控制系统，且引入了数显板技术，故能够对喷涂过程实现数字化记录，与传统的手动喷枪喷涂相比，有效地实现了对喷涂速率和喷涂量的可视化操作，对实现喷涂工艺的重复性有明显作用。在加热箱体中喷枪可以通过数控技术实现自动喷涂，无需人工操作，防止因喷涂材料对工人身体健康带来的损伤，提升了喷涂的效率。

由于本发明在喷枪支架上引入了超声震荡技术，故喷涂材料尤其是催化剂浆液能够实现周期性的分散，与传统的手动喷枪喷涂相比，提高了催化剂的均一性，从而提高了膜电极上喷涂催化层的质量。

本发明所公开的自动喷涂装置尤其可以克服氢燃料电池的膜电极在喷涂催化剂层的过程中出现的工艺问题，有效地防止由于质子交换膜溶胀、催化剂浆液沉淀以及喷涂工艺的不可重复引发的3CCM性能问题，提高了生产效率的同时保障了3CCM的质量。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本发明公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中自动喷涂装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中自动喷涂装置的卡扣组件未对质子交换膜进行固定的结构示意图；

图3是本发明实施例中自动喷涂装置的卡扣组件已对质子交换膜进行固定的结构示意图；

图中：

自动喷涂装置-1；加热箱体-11；工作台-12；真空加热吸附平台-121；水平多孔板-122；第二吸气孔-1221；卡扣组件-123；可伸缩卡扣臂-1231；卡板-1232；X-Y伺服运行系统-124；喷枪-13；喷枪支架-131；超声震荡器-132；空压机-133；红外加热装置-14；数显板-15；质子交换膜-16；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

【实施例1】

本实施例公开一种自动喷涂装置1，其包括：设置有加热装置的加热箱体11，加热箱体11内形成一喷涂作业空腔，自动喷涂装置1作业时，加热箱体中的加热装置对喷涂作业空腔进行加热；喷涂作业空腔中设置有喷枪13以及用于固定待喷涂工件的工作台12，当待喷涂工件固定在工作台12上，喷枪13将喷涂材料喷涂到待喷涂工件上。

进一步的，待喷涂工件为质子交换膜，喷涂材料为催化剂浆液。

进一步的，加热装置包括红外加热装置14，在自动喷涂装置作业时，红外加热装置14使喷涂作业空腔中的温度维持在预设温度范围内。红外加热装置14包括但不限于红外灯和/或红外发生装置，在加热箱体11中设置多个红外灯和/或红外发生装置，可选的，在加热箱体11内部的顶部和/或垂直壁面上设置多个红外灯和/或红外发生装置实现喷涂装置中加热箱体为红外环境，并控制红外加热装置14使喷涂作业空腔中的温度维持在预设温度范围内，进一步可选的，箱体温度一般保持在[40℃，55℃]。优选的，控制红外加热装置14使加热箱体11中温度保持一致性以及均匀稳定。其有益效果在于：设置有加热装置的加热箱体11可以使得自动喷涂装置喷涂作业时喷涂环境温度一致，使得喷涂材料尤其是催化剂浆液在离开喷枪13的喷嘴时到落至待喷涂工件尤其是质子交换膜16上的过程中温度保持一致，一方面使得喷涂材料在喷出的过程中保持较高的温度，加快喷涂材料中溶剂的挥发速度使得喷涂材料中的溶剂较高温度的环境下从离开喷枪喷嘴时就开始挥发，防止质子交换膜发生膜溶胀；另一方面防止喷枪中的喷涂材料尤其是催化剂浆液在喷枪中以较高的温度被喷出后，与低温的环境空气接触后发生再次液化，保证喷涂材料尤其是催化剂浆液在接触质子交换膜时就处在半干状态，避免质子交换膜长时间接触液体的时间，进一步避免质子交换膜发生膜溶胀。

且本实施例中的自动喷涂装置1设置有加热箱体11，自动喷涂过程在加热箱体11形成的喷涂作业空腔中进行，相比于现有技术可以避免喷涂过程受到不可抗自然风的干扰，保证质量较轻的催化剂浆液能够在稳定的环境中附着在质子交换膜表面，提高喷涂的质量，提高膜电极成品的质量和合格率。

自动喷涂装置中的工作台12包括真空加热吸附平台121，真空加热吸附平台121包括空心罩体，空心罩体上表面形成一水平吸附面，水平吸附面上开设有多个第一吸气孔，第一吸气孔与空心罩体的内腔连通；空心罩体的内腔与抽真空装置连通；真空加热吸附平台设置有加热元件，加热元件用于对水平吸附面进行加热。进一步可选的，该加热元件可以是电加热元件。当自动喷涂装置1进行工作时，用抽真空装置对空心罩体进行抽真空处理，使得空心罩体内腔形成真空环境。又空心罩体的水平吸附面上开设有多个与空心罩体的内腔连通的第一吸气孔，质子交换膜16通过第一吸气孔在抽真装置的作用下被吸附在工作台12上。

进一步的，真空加热吸附平台121的孔径一般在1.5mm-3mm之间，且孔间距较大。对于质子交换膜而言，在此类规格孔径的第一吸气孔所产生的吸附力度之下，容易产生集中性的膜形变，即在第一吸气孔处质子交换膜容易出现凹陷状形变，甚至在真空加热吸附平台121吸附力太大时质子交换膜容易在吸附孔处被吸破。因此进一步的，水平吸附面上方可拆卸地或固定地设置有至少一个水平多孔板122，水平多孔板122上开设有多个第二吸气孔1221，第二吸气孔1221的孔径小于第一吸气孔和/或第二吸气孔1221的孔间距小于第一吸气孔。

进一步的，水平多孔板122的材料优选耐老化的不锈钢材料，该种材料硬度高且热传导效率高。水平多孔板122能够均匀地分散真空加热吸附平台121中第一吸气孔的吸附力，使得质子交换膜16均匀受力，增加小面积质子交换膜16的受力面积。多孔板的孔径一般在100-300目之间，由于水平多孔板122上设置了第二吸气孔1221使得质子交换膜不会受到大面积集中的吸附力，相反则会受到较为均匀的吸附力，避免了集中受力引起的质子交换膜凹陷形变甚至膜破损。优选的，第二吸气孔1221的孔径的取值范围是[1μm,0.3mm]。

真空加热吸附平台121的抽真空装置开启时，真空加热吸附平台121对质子交换膜16有竖直方向上垂直的吸附力，但是并不能在水平方向上阻止质子交换膜16收缩变形。因此，进一步优选的，本实施例在真空加热吸附平台121设置有卡扣组件123，自动喷涂装置作业时，卡扣组件123将质子交换膜16压紧固定在真空加热吸附平台121上，实现对质子交换膜16水平方向上的固定。

本实施例中卡扣组件可以是四个独立的卡扣，也可以是集成式卡扣，也可以是四个独立的压板或“回”字形集成压板。如图2、图3所示本实施例中的卡扣组件由四个卡板1232以及将四个卡板1232连接到真空加热吸附平台121上的多个可伸缩卡扣臂1231组成的。设置在单个卡板1232两侧的可伸缩卡扣臂1231可以带动卡板1232沿可伸缩卡扣臂1231伸缩方向进行移动，有助于灵活的调节卡板1232的位置，根据放置在真空加热吸附平台121上的质子交换膜的大小以及其放置的位置来调节可伸缩卡扣臂1231的伸缩长度，从而调整卡板1231的位置；使得四个卡板向质子交换膜16进行扣合压紧固定时，对质子交换膜16的膜四周均有良好的固定作用。保证了在自动喷涂装置1对质子交换膜16进行喷涂时，质子交换膜16水平方向得到固定作用，同时卡板1232对质子交换膜16的膜四周均进行固定，防止质子交换膜16在水平方向上的收缩变形。

如图2所示实施例中自动喷涂装置的卡扣组件未对质子交换膜进行固定的结构示意图。如图3所示为实施例中自动喷涂装置的卡扣组件已对质子交换膜进行固定的结构示意图。在自动喷涂装置1进行自动喷涂之前将水平多孔板122设置在真空加热吸附平台121水平吸附面上，并将待喷涂的质子交换膜放置在水平多孔板122上，开启真空加热吸附平台121的抽真空装置，在第二吸气孔1221和第一吸气孔的作用下质子交换膜16在被吸附固定在工作台12上，尤其是抽真空装置进行抽真空工作后通过第二吸气孔1221和第一吸气孔对质子交换膜16进行竖直方向上的吸附固定。在水平方向上，质子交换膜16被四个卡板1232以及将四个卡板1232连接到真空加热吸附平台121上的多个可伸缩卡扣臂1231进行压紧固定。

工作台12还设置有X-Y伺服运行系统124，X-Y伺服运行系统124装配在真空加热吸附平台121下方，其设置有X、Y滑轨带动真空加热吸附平台121进行移动。可通过编程实现真空加热吸附平台121进行不同路径的移动，路径轨迹可以是圆形、三角形等。行进速度在[0.1cm/s,15cm/s]的范围中可调节。本实施例中在真空加热吸附平台上加设X-Y伺服运行系统124，有效实现了质子交换膜16在喷涂过程中实现自动化移动的目的，对实现催化剂浆液在质子交换膜16上进行均匀喷涂和膜电极自动化生产有明显的作用。

加热箱体11中设置有喷枪支架131，喷枪支架131设置有喷枪固定结构；喷枪固定结构设置有超声震荡器132，超声震荡器132用于对喷枪13中的喷涂材料进行超声震荡。进一步可选的，在喷涂结束之后喷枪13在喷枪支架131上进行固定，喷枪闲置的时间内喷枪固定结构中的超声震荡器132对喷枪13进行周期性的超声震荡，震荡周期可由用户根据自身需要进行设定，每次超声震荡时间在[30s,60s]之间，超声频率在[10KHz,50KHz]之间，超声功率在[0.1W/m²,0.5W/m²]之间。可选的，超声震荡器132可以直接安装在喷枪13上，在喷枪13进行工作或者喷枪13闲置不进行工作时对喷枪13中的喷涂材料进行超声震荡，防止喷涂材料的团聚和沉降，降低喷涂材料的粘度，使得从喷枪13中喷出的喷涂材料粘度低流动性更好，喷涂材料更均匀，保证了喷出到质子交换膜上的喷涂材料层均匀，喷涂材料从喷枪中喷出的过程更顺畅均匀一致，防止喷涂材料在喷涂过程中的团聚和沉降影响喷涂工件的质量。

喷枪连接有喷枪数显控制系统，喷枪数显控制系统包括数显板15，数显板15设置在加热箱体11外表面上。喷枪数显控制系统还包括有空压机133，空压机133控制喷枪启动和关闭。数显控制系统可以至少控制空气机133气压大小，和喷枪13喷头的旋转。当自动喷涂装置1启动后，空压机133自动开始运行，带动喷枪13开始进行喷涂工作，空压机133的气压显示在数显板15上为喷涂气压，通过喷枪喷口控制的喷涂材料的喷涂流量显示在数显板15上为喷涂流量。当喷涂路径结束时，空压机133自动停止工作，数显板15显示该路径喷涂工作的耗时。数显板15显示以及控制精度为0.01。用户可以将喷涂中涉及到的喷涂参数如空压机133的气压大小、喷涂路径、喷头的旋转过程、喷涂流量等实时或者预先的输入到喷枪数显控制系统中，对自动喷涂装置1进行控制。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置模式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种自动喷涂装置，其特征在于：

其包括：设置有加热装置的加热箱体，所述加热箱体内形成一喷涂作业空腔，所述自动喷涂装置作业时，所述加热箱体中的加热装置对所述喷涂作业空腔进行加热；

所述喷涂作业空腔中设置有喷枪以及用于固定待喷涂工件的工作台，当所述待喷涂工件固定在所述工作台上，喷枪将喷涂材料喷涂到所述待喷涂工件上。

2.如权利要求1所述的自动喷涂装置，其特征在于：所述加热装置包括红外加热装置，在所述自动喷涂装置作业时，所述红外加热装置使所述喷涂作业空腔中的温度维持在预设温度范围内。

3.如权利要求1或2所述的自动喷涂装置，其特征在于：待喷涂工件为质子交换膜，喷涂材料为催化剂浆液。

4.如权利要求3所述的自动喷涂装置，其特征在于：所述工作台包括真空加热吸附平台，所述真空加热吸附平台包括空心罩体，所述空心罩体上表面形成一水平吸附面，所述水平吸附面上开设有多个第一吸气孔，所述第一吸气孔与所述空心罩体的内腔连通；所述空心罩体的内腔与抽真空装置连通；所述真空加热吸附平台设置有加热元件，所述加热元件用于对所述水平吸附面进行加热。

5.如权利要求4所述的自动喷涂装置，其特征在于：所述水平吸附面上方可拆卸地或固定地设置有至少一个水平多孔板，所述水平多孔板上开设有多个第二吸气孔，所述第二吸气孔的孔径小于所述第一吸气孔和/或所述第二吸气孔的孔间距小于所述第一吸气孔。

6.如权利要求5所述的自动喷涂装置，其特征在于：所述第二吸气孔的孔径的取值范围是[1μm,0.3mm]。

7.如权利要求4或5所述的自动喷涂装置，其特征在于：所述真空加热吸附平台设置有卡扣组件，所述自动喷涂装置作业时，所述卡扣组件将所述质子交换膜压紧固定在所述真空加热吸附平台上，实现对所述质子交换膜水平方向上的固定。

8.如权利要求7所述的自动喷涂装置，其特征在于：所述工作台还设置有X-Y伺服运行系统，所述X-Y伺服运行系统装配在所述真空加热吸附平台下方，带动所述真空加热吸附平台移动。

9.如权利要求1或8所述的自动喷涂装置，其特征在于：所述加热箱体中设置有喷枪支架，所述喷枪支架设置有喷枪固定结构；所述喷枪固定结构设置有超声震荡器，所述超声震荡器用于对所述喷枪中的喷涂材料进行超声震荡。

10.如权利要求9所述的自动喷涂装置，其特征在于：所述喷枪连接有喷枪数显控制系统，所述喷枪数显控制系统包括数显板，所述数显板设置在所述加热箱体外表面上。

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