CN112934542A - 一种质子交换膜喷涂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种质子交换膜喷涂装置，包括：固定平台，所述固定平台上包括承载面，用于固定质子交换膜，所述承载面上形成有透光结构，所述承载面的下侧设置有光强度感应装置，用于感应光照强度；喷涂装置，用于向所述质子交换膜进行催化剂浆液喷涂，所述喷涂装置上设置有光线发射装置，用于朝向所述喷涂装置的喷涂区域发射光线；所述光线发射装置发出的光线能够穿过所述质子交换膜以及所述透光结构照射到所述光强度感应装置上，所述光强度感应装置根据接收到的光线照射强度判断所述质子交换膜上催化剂浆液喷涂的均匀性。本发明能够检测质子交换膜上催化剂浆液喷涂的均匀性，提高喷涂质量。

Description

一种质子交换膜喷涂装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子膜喷涂装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种集高效率、零排放、高功率密度于一体的发电装置，在新能源应用上有着良好的发展前景。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心元件，是多相物质传输和产生电化学反应的场所，其性能的好坏决定了质子交换膜燃料电池的性能、寿命和成本。目前制备膜电极的方法大致分成两类，一种是以热压法为代表，把催化剂浆料涂覆在碳纸等载体上，通过热压使催化剂与质子交换膜结合。但是这种方法受到热压设备条件的制约，且在热压过程中容易造成膜和碳纸的损伤，也可能因为催化剂颗粒挤压金碳纸孔隙内远离了质子交换膜的高效反应区，影响利用率。
因此目前主要采用直接把催化剂浆料涂覆在质子交换膜上，然后与气体扩散层组成膜电极。这种方法叫做CCM(catalyst coated membrane，催化剂涂层膜)法。CCM法是目前研究的热点，因为这种方法可以制备薄的质子交换膜和低铂载量的高功率膜电极。CCM法采用的催化剂涂覆工艺主要是喷涂工艺，即将配制好的催化剂浆液装进喷枪，通过喷枪喷涂在质子交换膜表面。但是受限于催化剂浆液配制水平和浆液的喷涂装置设计，浆液喷涂无法达到很好的均匀性，同时质子交换膜能够吸取催化剂浆液溶液的水分，发生溶胀，使得涂覆时表面凹凸不平，影响了催化剂浆液在质子交换膜上的扩散。由于催化剂浆液的颜色是一致的，通过肉眼无法分辨浆液喷涂的厚度。因此如何提高喷涂催化层的均匀性，成了亟需解决的难题。
目前解决上述问题一般有以下几种方法：
通过电极升降控制系统使两个电极、电极电气控制系统对电极和地之间、电极之间施加电压，并测量相应的电流值，电极自动控制系统根据电压和电流值获得电极的对地阻抗和电极之间的横向阻抗。根据电极的对地阻抗和电极之间的横向阻抗计算，获得相应厚度。但是在膜电极喷涂的过程中，催化剂浆液的水分会被质子交换膜吸收，浆液由湿润状态逐渐变成干燥状态，其阻抗变化很大，因此采用电信号的方法无法准确评估其厚度均匀性；
利用绿色激光技术，通过收集平行激光对样品的透射信号，并采用一系列公式计算出办导体片材的表面缺陷和厚度。该装置能精准描绘样片表面形貌，适用于平整的样品。但由于质子交换膜吸收喷涂催化剂的水分会发生溶胀，形成凹凸面，因此测绘其表面形貌无法准确测量催化层的实际厚度。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种质子膜喷涂装置，至少用于解决现有技术中存在的质子交换膜上催化剂浆液的喷涂不均匀的技术问题，具体地：
本发明提供一种质子交换膜喷涂装置，包括：
固定平台，所述固定平台上包括承载面，用于固定质子交换膜，所述承载面上形成有透光结构，
所述承载面的下侧设置有光强度感应装置，用于感应光照强度；
喷涂装置，用于向所述质子交换膜进行催化剂浆液喷涂，
所述喷涂装置上设置有光线发射装置，用于朝向所述喷涂装置的喷涂区域发射光线；
所述光线发射装置发出的光线能够穿过所述质子交换膜以及所述透光结构照射到所述光强度感应装置上，所述光强度感应装置根据接收到的光线照射强度判断所述质子交换膜上催化剂浆液喷涂的均匀性。
进一步可选地，所述承载面构造为镂空结构，所述镂空结构形成所述透光结构，光线能够穿过所述透光结构照射到所述光强度感应装置上。
进一步可选地，所述承载面上设置有吸附装置，用于吸附固定所述质子交换膜，
所述吸附装置设置有多个，多个所述吸附装置沿所述承载面的边缘分布。
进一步可选地，所述固定平台内设置有光线通道，所述光线通道位于所述承载面和所述光强度感应装置之间，光线通过所述光线通道照射到所述光强度感应装置上。
进一步可选地，所述喷涂装置包括机械臂和喷枪，所述喷枪设置在所述机械臂上，并能够跟随所述机械臂移动，以完成在所述质子交换膜上的喷涂操作。
进一步可选地，所述光线发射装置设置在所述喷枪上，所述光线发射装置随着所述喷枪移动，对喷涂区域进行照射。
进一步可选地，所述光线发射装置能够随着所述喷枪的喷射角度和/或所述喷枪距离所述质子交换膜的高度调整照射角度，使所述光线发射装置朝向喷涂区域的中心位置进行照射。
进一步可选地，所述光线发射装置发射的光源照射面积能够根据所述喷枪的喷涂面积进行调整，使光源的照射面积小于所述喷枪的喷涂面积。
进一步可选地，所述光线发射装为紫外线发射装置。
进一步可选地，所述紫外线发射装置为可调紫外光光源，紫外光的波长为10nm-400nm。
进一步可选地，所述质子交换膜喷涂装置还包括控制平台，
所述控制平台用于根据所述光强度感应装置接收的光照强度信号，控制所述喷涂装置的喷涂操作。
进一步可选地，所述控制平台控制所述喷涂装置的操作包括：所述光强度感应装置检测光线照度值，
在预设时间内若照度值不变，或者照度变化率达到第一变化预设值，控制所述喷涂装置停止；
在预设时间内照度变化率在第二变化预设值和第三变化预设值之间，原定点喷涂时间不变；
在预设时间内照度变化率大于第二变化预设值时，减少所述喷涂装置在同一喷涂点的喷涂时间；
在预设时间内照度变化率小于第三变化预设值时，增加所述喷涂装置在同一喷涂点的喷涂时间。
本发明根据喷涂面的紫外光照度值控制自动喷涂时间，能够有效提高喷涂区域的均匀性，对于已初步完成催化剂浆液喷涂的质子交换膜，本申请可以检测喷涂区域的均匀性，并对催化剂较薄的区域进行补充喷涂，有效改善了质子交换膜上催化剂分布的均匀性。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本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示出本发明质子膜喷涂装置的结构示意图。
图中：
1、固定平台；2、机械臂；3、喷枪；4、光线发射装置；5、光强度感应装置；6、控制平台；7、光线通道；8、质子交换膜。
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。
本发明根据喷涂面的紫外光照度值控制自动喷涂时间，能够有效提高喷涂区域的均匀性，对于已初步完成催化剂浆液喷涂的质子交换膜，本申请可以检测喷涂区域的均匀性，并对催化剂较薄的区域进行补充喷涂，有效改善了质子交换膜上催化剂分布的均匀性。以下结合具体实施例对本发明进行详细介绍：
如图1所示，本发明提供一种质子交换膜喷涂装置，包括：
固定平台1，固定平台1上包括承载面，用于固定质子交换膜8，承载面上形成有透光结构，
承载面的下侧设置有光强度感应装置5，光线能够穿过质子交换膜8和透光结构，照射到光强度感应装置5上，光强度感应装置5用于感应光照强度；
喷涂装置，用于向质子交换膜8进行催化剂浆液喷涂，
喷涂装置上设置有光线发射装置4，用于朝向喷涂装置的喷涂区域发射光线；
光线发射装置4发出的光线能够穿过质子交换膜8以及透光结构照射到光强度感应装置5上，光强度感应装置5根据接收到的光线照射强度判断质子交换膜8上催化剂浆液喷涂的均匀性。
承载面构造为镂空结构，镂空结构形成透光结构，光线能够穿过透光结构照射到光强度感应装置5上。优选地，镂空结构可以包括一个与质子交换膜8的喷涂区域对应的部分形成镂空，使光线能够穿过。光强度感应装置5设置在透光结构的下侧，用于接收光线，并检测光照强度，优选地，光强度感应装置5的具体类型与光线发射装置4相同，例如，当光线发射装置4发射紫外线时，光强度感应装置5为紫外线光照强度感应装置。
优选地，承载面上设置有吸附装置，用于吸附固定质子交换膜8，吸附装置例如包括真空吸附盘，固定质子交换膜8时进行抽真空操吸附质子交换膜8，喷涂完成后方便释放质子交换膜8。吸附装置设置有多个，多个吸附装置沿承载面的边缘分布，在多个位置进行吸附固定。在其他实施例中，还可以通过其他固定装置取代吸附装置，例如，设置夹持装置等。
优选地，固定平台1内设置有光线通道7，光线通道7位于承载面和光强度感应装置5之间，光线通过光线通道7照射到光强度感应装置5上。光线通道7优选为筒状结构，并且其侧壁为不透光的结构，避免管线照射到外部，可以防止光线为紫外线等容易对人体造成伤害的光线时照射到外部对附近的人员造成误伤。
喷涂装置包括机械臂2和喷枪3，喷枪3设置在机械臂2上，喷枪3与涂料桶连通，机械臂2能够沿着水平和竖直方向移动，并能够带动喷枪3移动，以完成在质子交换膜8上的喷涂操作。优选地，机械臂2设置在固定平台1上，可以使整体结构更加简洁，占用空间更小。优选地，在其他实施例中，机械臂还可以由其他结构替代，例如，设置在固定平台1上的滑轨结构，使喷枪3可以在滑轨上滑动。
光线发射装置4设置在喷枪3上，光线发射装置4随着喷枪3移动，使光线发射装置4随时都能对喷涂区域进行照射。优选地，光线发射装置4能够随着喷枪3的喷射角度和/或喷枪3距离质子交换膜8的高度调整照射角度，使光线发射装置4朝向喷涂区域的中心位置进行照射。进一步地，光线发射装置4还能够根据喷枪3的喷涂面积进行调整，使照射面积小于或等于喷枪3的喷涂面积，保证光源能够进行有效照射。优选地，在本实施例中，光发射装置4为单侧光源，在其他实施例中，可以设置成环形光源，即环绕喷枪3的一周设置。
优选地，光线发射装为紫外线发射装置，紫外线发射装置为可调紫外光光源，紫外光的波长为10nm-400nm。或者，在其他实施例中，光线发射装置4可以是发射红外线或其他可见光源的装置。
质子交换膜喷涂装置还包括控制平台6，控制平台6用于根据光强度感应装置5接收的光照强度信号，控制喷涂装置的喷涂操作。
具体的，喷涂装置与控制平台6相连，通过控制平台6控制喷涂装置的喷涂操作；光线发射装置4与控制平台6相连，通过控制平台6控制光线发射装置4发射光线的时间，例如在喷涂一次或多次完成或发生光线用于检测喷涂均匀度；光强度感应装置5与控制平台6相连，光强度感应装置5将光照强度信号传输至控制平台6，控制平台6根据光照强度进行判断喷涂均匀度，并控制喷涂装置的喷涂时间等参数进行控制。优选地，对喷涂装置的控制逻辑如下：在预设时间内若照度值不变，停止喷涂并提示“喷枪3堵塞”信息；在预设时间内照度变化率达到第一变化预设值，停止喷涂并提示“喷涂量过大”信息；在预设时间内照度变化率在第二预设变化值和第三预设变化值之间，原定点喷涂时间不变；在预设时间内照度变化率大于第二预设变化值，减少相应喷涂时间；在预设时间内照度变化率小于第三预设变化值，增加相应喷涂时间。优选地，第二预设变化值等于第一预设变化预设值的10％，第三预设变化值等于负的第一预设变化值的10％，容易理解的，在其他实施例中，三个预设值的关系可以进行调整。
本发明质子交换膜喷涂装置工作原理如下：
控制平台6设定机械臂2喷枪3的运动逻辑、光线发射装置4的照射方式以及照度感应器与机械臂2喷枪3协同工作的运行逻辑；质子交换膜8固定在喷涂区域镂空的自动固定平台1上；喷枪3通过预设路径移动到起始位置，对质子交换膜8进行催化剂浆液喷涂。喷枪3开始喷涂，光线发射装置4开启并照射喷涂区域，光强度感应装置5实时反馈喷涂区域的照度值变化，当照度值达到(缩小至)预设值，机械臂2喷枪3移动到下一位置进行喷涂；机械臂2喷枪3根据预设路径和逻辑进行质子交换膜8浆液喷涂；完成一次(或多次)喷涂后，可以采用光线发射装置4按照预设路径进行质子交换膜8进行照度检查，并对指定区域进行补喷，提高整体喷涂均匀性。
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、设置方式或实现方法；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 (12)

1.一种质子交换膜喷涂装置，其特征在于：包括：
固定平台，所述固定平台上包括承载面，用于固定质子交换膜，所述承载面上形成有透光结构，
所述承载面的下侧设置有光强度感应装置，用于感应光照强度；
喷涂装置，用于向所述质子交换膜进行催化剂浆液喷涂，
所述喷涂装置上设置有光线发射装置，用于朝向所述喷涂装置的喷涂区域发射光线；
所述光线发射装置发出的光线能够穿过所述质子交换膜以及所述透光结构照射到所述光强度感应装置上，所述光强度感应装置根据接收到的光线照射强度判断所述质子交换膜上催化剂浆液喷涂的均匀性。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述承载面构造为镂空结构，所述镂空结构形成所述透光结构，光线能够穿过所述透光结构照射到所述光强度感应装置上。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述承载面上设置有吸附装置，用于吸附固定所述质子交换膜，
所述吸附装置设置有多个，多个所述吸附装置沿所述承载面的边缘分布。
4.根据权利要求2所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述固定平台内设置有光线通道，所述光线通道位于所述承载面和所述光强度感应装置之间，光线通过所述光线通道照射到所述光强度感应装置上。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述喷涂装置包括机械臂和喷枪，所述喷枪设置在所述机械臂上，并能够跟随所述机械臂移动，以完成在所述质子交换膜上的喷涂操作。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述光线发射装置设置在所述喷枪上，所述光线发射装置随着所述喷枪移动，对喷涂区域进行照射。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述光线发射装置能够随着所述喷枪的喷射角度和/或所述喷枪距离所述质子交换膜的高度调整照射角度，使所述光线发射装置朝向喷涂区域的中心位置进行照射。
8.根据权利要求7所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述光线发射装置发射的光源照射面积能够根据所述喷枪的喷涂面积进行调整，使光源的照射面积小于所述喷枪的喷涂面积。
9.根据权利要求6所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述光线发射装为紫外线发射装置。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述紫外线发射装置为可调紫外光光源，紫外光的波长为10nm-400nm。
11.根据权利要求1-10任一项所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述质子交换膜喷涂装置还包括控制平台，
所述控制平台用于根据所述光强度感应装置接收的光照强度信号，控制所述喷涂装置的喷涂操作。
12.根据权利要求11所述的质子交换膜喷涂装置，其特征在于：所述控制平台控制所述喷涂装置的操作包括：所述光强度感应装置检测光线照度值，
在预设时间内若照度值不变，或者照度变化率达到第一变化预设值，控制所述喷涂装置停止；
在预设时间内照度变化率在第二变化预设值和第三变化预设值之间，原定点喷涂时间不变；
在预设时间内照度变化率大于第二变化预设值时，减少所述喷涂装置在同一喷涂点的喷涂时间；
在预设时间内照度变化率小于第三变化预设值时，增加所述喷涂装置在同一喷涂点的喷涂时间。
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