CN218872612U - 一种燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，包括线性滑动模组、双喷枪组件、气路开关组件和计算机数控组件；所述线性滑动模组由四台带有丝杆的步进式电机组成，可实现双喷枪组件在x、y、z三个方向的运动；所述双喷枪组件由喷枪、带刻度的固定台和红外激光发射器组成，具有精确控制喷枪位置，实时显示喷涂路径等功能；所述气路开关组件由三通阀和两个电磁阀构成，通过改变电磁阀开关可控制喷枪的开关，实现多种喷涂需要；所述计算机数控组件由计算机和步进电机伺服电机控制器组成，通过数据连接线实现对数控线性滑动模组和气路开关组件的控制；本实用新型具有结构紧凑，操作方便，可以同时满足多种燃料电池催化层生产工艺。

Description

一种燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置

技术领域

本实用新型属于燃料电池膜电极喷涂制备领域，具体涉及一种燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置。

背景技术

燃料电池是一种高效、清洁、环保的发电方式，被认为是新一代汽车、固定电站和电子领域中极具潜力的清洁能源。但目前，燃料电池仍存在成本高、寿命短等问题，阻碍了燃料电池大规模商业化的推广。通常意义上讲，燃料电池组件包括阴阳极端板、阴阳极集流板、双极板、以及膜电极。其中，膜电极中的催化层作为燃料电池发生电化学反应的核心场所，其性能的好坏直接影响了燃料电池性能的优劣。催化层通常是由贵金属催化剂与离子树脂以及溶剂按照一定比例通过机械混合的方式制成催化剂浆料，再将催化剂浆料通过一定的方法使得催化剂依附在质子交换膜上。其中催化剂浆料的配方、结构和喷涂工艺等对最终获得高电池性能都至关重要。目前催化层的制备方法通常用转印法和直接喷涂法。转印法首先将催化剂浆料喷涂在特定基底上，再通过热压转印到质子交换膜上，其加工工艺比较复杂，催化层结构难以控制。直接喷涂法则是将催化剂浆料利用喷枪直接喷涂到质子交换膜上，具有制作工艺简单，可控性强等优点。但目前的喷涂设备主要停留在单喷枪结构，使得目前的喷涂工艺的优化和喷涂速率的提升受到了限制。此外，由于在催化剂浆料中加入的任何物质或者浆料配方的调整都会改变浆料的特性，这可能会给电池性能带来另外的负面影响。为了进一步同时为了达到结构改善的目的，优化电池的输出性能，可能需对催化层的制备过程进行优化，但现有的催化层喷涂装置难以满足多样的喷涂工艺。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，可同时满足不同喷涂工艺参数(喷涂面积、喷涂时间、喷涂形状等)，不同组分配比的催化剂浆料同时喷涂，多梯度催化层制备等多种生产工艺需求，满足了现阶段膜电极催化层制备过程中的个性化需要；同时双喷枪的使用也大大提高了催化层的制备效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术手段如下：

本实用新型提供了一种燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置包括：线性滑动模组、双喷枪组件、气路开关组件和计算机数控组件。

基于上述方案，优选地，所述线性滑动模组是由四台带有丝杆的步进式电机构成的三维结构装置；所述线性滑动模组包括分布在x轴方向的第一x轴步进电机和第二x轴步进电机、分布在y轴的y轴步进电机和分布在z轴的z轴步进电机；所述y轴步进式电机位于x轴的两台步进式电机和上，通过滑动组件与第一x轴步进电机和第二x轴步进电机的丝杆呈“工”字型连接；所述z轴步进式电机通过滑动组件与y轴步进式电机的丝杆呈“十”字型连接；从而实现双喷枪组件在x轴、y轴和z轴三维空间的移动。

基于上述方案，优选地，所述双喷枪组件是由两组对称放置的喷枪、红外激光发射器和第一固定台，以及第二固定台构成。

基于上述方案，优选地，所述喷枪包括喷枪进气口和喷枪控制旋钮以及物料罐；所述喷枪进气口与气路开关组件的出气口相连通；所述喷枪控制旋钮用于调节喷涂速度。

基于上述方案，优选地，所述红外激光发射器通过可旋转夹紧的连接件固定在喷枪上，通过调节红外激光发射器发出的红外光点处于喷枪喷出物料的中心位置，可实时显示喷涂路径。

基于上述方案，优选地，所述第一固定台为金属材质的直角角码结构；所述金属直角角码结构一侧带有喷枪固定口，另一侧带有与第二固定台连接的固定孔；所述喷枪通过紧固连接件固定在第一固定台的喷枪固定口；所述喷枪固定口周围刻制有弧形刻度盘，用于调节喷枪的旋转角度；所述与第二固定台连接的固定孔一侧刻制有水平刻度线，用于调节喷枪水平x轴方向的位置。

基于上述方案，优选地，所述第二固定台为金属材质的板状结构；所述第二固定台上加工有螺丝孔，用于将双喷枪组件与步进式电机的丝杆滑块固定连接；所述第二固定台底端带有对称的直角平台，用于放置第一固定台；所述固定台两侧分别带有螺丝杆，与第一固定台一侧的固定孔连接，用于连接第一固定台。

基于上述方案，优选地，所述气路开关组件是由三通阀和第一电磁阀、第二电磁阀组成，气体经由三通阀分别进入第一电磁阀、第二电磁阀的进气口，第一电磁阀、第二电磁阀的出气口分别与喷枪的进气口连接，通过控制第一电磁阀、第二电磁阀的开关频次和开关持续时间，从而实现对喷枪启动和停止以及喷涂持续时间的控制。

基于上述方案，优选地，所述计算机数控组件是由步进电机伺服电机控制器和上位计算机组成；所述步进电机伺服电机控制器与步进电机通过数据连接线相连；所述上位计算机将设定好的线性滑动模组移动参数指令传送到步进电机伺服电机控制器，所述步进电机伺服电机控制器，通过控制对应的步进电机转动，从而控制双喷枪组件沿x轴、y轴和z轴方向的移动。

基于上述方案，优选地，所述第一电磁阀、第二电磁阀开关频次和开关持续时间由上位计算机控制，从而实现双喷枪组件的多种喷涂工艺。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，通过双喷枪组件配合气路开关组件，可同时满足不同喷涂工艺参数(喷涂面积、喷涂时间、喷涂形状等)，不同组分配比的催化剂浆料同时喷涂，多梯度催化层制备等多种生产工艺的多种个性化工艺需求。

(2)本实用新型燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，可通过双喷枪组件同时进行燃料电池催化层的制备，相比于传统喷涂设备可以大大提高催化层喷涂制备速度。

(3)本实用新型燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，通过对双喷枪组件固定台进行刻度标识，可以准确控制喷涂过程中喷枪的位置等工艺参数，提高了喷涂过程中的精确性和可靠性。

(4)本实用新型燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，通过使用红外激光发射器可以精准定位喷涂出料位置，实时显示催化剂喷涂路径，实现了喷涂物料的可跟踪性，同时也实现了实验人员对喷涂过程出料状态的实时在线监测。

(5)本实用新型燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，还具有可控性强，准确度高，设备结构简单，制作容易，操作方便等优势；可实现规模化生产，有利于燃料电池的商业化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置的示意图。

图2为本实用新型实施例提供的双喷枪组件的示意图。

图3为本实用新型实施例提供的双喷枪组件固定台9的示意图，其中(a)为整体结构示意图，(b)为其中一角度示意图，(c)为另一角度示意图。

图4为本实用新型实施例提供的双喷枪组件固定台10的示意图。

图5为本实用新型实施例提供的双喷枪组件固定台的组合示意图。

图中标记说明：

1、第一x轴步进电机，2、z轴步进电机，3、第二x轴步进电机，4、y轴步进电机，5、喷枪，6、喷枪物料罐，7、喷枪进气口，8、红外激光发射器，9、第一固定台，10、第二固定台，11、步进电机伺服电机控制器集线盒，12、步进电机伺服电机控制器，13、上位计算机，14、第一电磁阀，15、第二电磁阀，16、三通阀。

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。

本实用新型实施例提供了一种燃料电池催化层的喷涂装置，如图1所示，包括：线性滑动模组、双喷枪组件、气路开关组件和计算机数控组件。

所述线性滑动模组是由四台带有丝杆的步进式电机构成的三维结构装置；所述线性滑动模组包括分布在x轴方向的第一x轴步进电机1和第二x轴步进电机3、分布在y轴的y轴步进电机4和分布在z轴的z轴步进电机2；所述y轴步进式电机4位于第一x轴步进电机1和第二x轴步进电机3上，通过滑动组件与第一x轴步进电机1和第二x轴步进电机3的丝杆呈“工”字型连接；所述z轴步进式电机2通过滑动组件与y轴步进式电机4的丝杆呈“十”字型连接；从而实现双喷枪组件在x轴、y轴和z轴三维空间的移动。

所述双喷枪组件，如图2所示，是由两组对称放置的喷枪5、红外激光发射器8和第一固定台9，以及第二固定台10构成。

所述喷枪5包括喷枪进气口7和喷枪控制旋钮以及物料罐6；所述喷枪5进气口7通过快接插头利用导气管与气路开关组件的出气口快插接头相连通；所述喷枪控制旋钮通过改变气速大小调节喷涂速度；所述物料罐6用于盛放待喷涂催化剂浆料。

所述红外激光发射器8通过R型连胶条卡箍固定在喷枪5的主体上，通过外接电源给红外激光发射器8进行供电，调节红外激光发射器8发出的红外光点处于喷枪5喷出物料的中心位置，通过红外光点的位置实时显示喷涂路径，并通过红外光观察喷涂浆料的状态。

所述第一固定台9，如图3(a)～(c)所示，是利用3mm不锈钢板加工成的直角角码结构，其数量为匹配喷枪的两个；所述直角角码结构一侧加工有喷枪固定口，用于与喷枪的固定螺丝孔固定连接；另一侧加工有长方形的通孔，由于与第二固定台10连接；所述喷枪固定口周围刻制有弧形刻度盘，用于调节喷枪的旋转角度，角度调节范围0～90°；与固定台10连接的固定孔一侧刻制有水平刻度线，用于调节喷枪5水平x轴方向的位置，调节范围0～10cm。

所述第二固定台10，如图4所示，是利用8mm不锈钢板加工成的板状结构；所述第二固定台10上加工有四个固定用螺丝孔，用于将双喷枪组件与z轴步进式电机2的丝杆滑块固定连接；所述第二固定台10底端带有对称的直角平台，直角平台宽度3mm，用于放置两个所述第一固定台9，防止第一固定台9发生滑移；所述第二固定台10两侧分别加工有螺丝杆，与第一固定台9一侧的固定孔利用元宝形状螺母进行连接，用于固定第一固定台9的位置，具体连接状态如图5所示。

所述气路开关组件是由三通阀16和第一电磁阀14、第二电磁阀15组成，气体经由三通阀16分别进入第一电磁阀14、第二电磁阀15的进气口，第一电磁阀14、第二电磁阀15的出气口快接头利用PU气管分别与喷枪5的进气口快接头连接，通过控制第一电磁阀14、第二电磁阀15的开关频次和开关持续时间，从而实现对喷枪5启动和停止以及喷涂持续时间的控制。

所述计算机数控组件是由步进电机伺服电机控制器12和上位计算机13组成；所述步进电机伺服电机控制器12通过步进电机伺服电机控制器集线盒11中的数据连接线与步进电机1、2、3、4相连；所述上位计算机13将设定好的线性滑动模组移动参数指令传送到步进电机伺服电机控制器12，所述步进电机伺服电机控制器12，通过控制对应的步进电机转动，从而控制双喷枪组件沿x轴、y轴和z轴方向的移动。本实施例中所采用的上位计算机与步进电机伺服电机控制器均采用现有技术，上位计算机将设定好的线性滑动模组移动参数指令传送到步进电机伺服电机控制器的控制也是现有技术普遍应用的常规技术。

所述第一电磁阀14、第二电磁阀15开关频次和开关持续时间由上位计算机13控制，通过预先设定的喷涂工艺进行第一电磁阀14、第二电磁阀15的开合，从而实现双喷枪组件的多种喷涂工艺。

使用本实施例提供的燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置的喷涂方法，包括以下步骤：

步骤1，喷涂开始前，根据催化层制作的工艺需求预先制定好所需的喷涂工艺参数(喷涂时间、喷涂高度、喷涂面积、喷涂气速、喷枪位置和控制参数等)；

步骤2，将预设好的工艺参数输入到上位计算机中，并根据喷枪5的位置参数，调整双喷枪在固定台9上的倾斜角度和固定台10上的水平位置，并用紧固螺丝固定；

步骤3，将待喷涂的质子交换膜平整的铺在喷涂组件的下方并固定(也可以使用真空泵配合和多孔平板进行固定)，防止喷涂过程中质子交换膜移动或掉落；

步骤4，打开双喷枪组件中的红外激光发射器8电源，确定喷涂的初始位置，并根据喷涂面积的需要可调节线性滑动模组和喷涂组件的初始位置；

步骤5，将待喷涂的催化剂浆料分别加入到双喷枪的物料罐6中，打开喷涂的供气管路总开关；

步骤6，启动上位计算机13中的线性滑动模组、气路开关组件的控制程序，此时双喷枪自动喷涂装置根据预设程序进行喷涂操作，喷涂过程中可根据红外激光发射器8反映的喷出的物料转态，调整喷枪控制旋钮控制喷涂速率；

步骤7，喷涂时间结束，取走喷涂好的电极，清洗喷枪5；

步骤8，清洗结束后，关闭上位计算机13和供气管路总开关，完成喷涂操作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，其特征在于，包括线性滑动模组、双喷枪组件、气路开关组件，所述线性滑动模组与双喷枪组件相连，其用于实现双喷枪组件空间位姿的调节，所述双喷枪组件包括两个喷枪，各喷枪均设有喷枪进气口和喷枪控制旋钮以及物料罐，所述气路开关组件与所述喷枪进气口相连，通过控制气路开关组件的电磁阀的开关频次和开关持续时间，实现对喷枪启动和停止以及喷涂持续时间的控制；

所述双喷枪组件是由两组对称放置的喷枪、红外激光发射器和第一固定台，以及第二固定台构成；所述第一固定台为金属材质的直角角码结构；所述直角角码结构一侧带有喷枪固定口，另一侧带有与第二固定台连接的固定孔；所述喷枪通过紧固连接件固定在第一固定台的喷枪固定口；所述喷枪固定口周围刻制有弧形刻度盘，用于调节喷枪的旋转角度；与第二固定台连接的固定孔一侧刻制有水平刻度线，用于调节喷枪水平x轴方向的位置；

所述喷枪进气口与气路开关组件的出气口相连通；还包括用于调节喷涂速度的喷枪控制旋钮；

所述气路开关组件是由三通阀和第一电磁阀、第二电磁阀组成，气体经由三通阀分别进入第一电磁阀、第二电磁阀的进气口，第一电磁阀、第二电磁阀的出气口分别与喷枪的进气口连接，通过控制第一电磁阀、第二电磁阀的开关频次和开关持续时间，从而实现对喷枪启动和停止以及喷涂持续时间的控制。

2.根据权利要求1所述的燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，其特征在于，所述线性滑动模组包括四台带有丝杆的步进式电机构成的三维结构装置；所述线性滑动模组包括分布在x轴方向的第一x轴步进电机和第二x轴步进电机、分布在y轴的y轴步进电机和分布在z轴的z轴步进电机；所述y轴步进电机位于第一x轴步进电机和第二x轴步进电机上，通过滑动组件与第一x轴步进电机和第二x轴步进电机的丝杆呈工字型连接；所述z轴步进电机通过滑动组件与y轴步进电机的丝杆呈十字型连接；从而实现双喷枪组件在x轴、y轴和z轴三维空间的移动。

3.根据权利要求1所述的燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，其特征在于，所述红外激光发射器通过可旋转夹紧的连接件固定在喷枪上，通过调节红外激光发射器发出的红外光点处于喷枪喷出物料的中心位置，实时显示喷涂路径。

4.根据权利要求1所述的燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，其特征在于，所述第二固定台为金属材质的板状结构；所述第二固定台上加工有螺丝孔，用于将双喷枪组件与步进式电机的丝杆滑块固定连接；所述第二固定台底端带有对称的直角平台，用于放置第一固定台；所述第一固定台两侧分别带有螺丝杆，与第一固定台一侧的固定孔连接，用于连接第一固定台。

5.根据权利要求1所述的燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，其特征在于，还包括计算机数控组件，所述计算机数控组件是由步进电机伺服电机控制器和上位计算机组成；所述步进电机伺服电机控制器与步进电机通过数据连接线相连；所述上位计算机将设定好的线性滑动模组移动参数指令传送到步进电机伺服电机控制器，所述步进电机伺服电机控制器，通过控制对应的步进电机转动，从而控制双喷枪组件沿x轴、y轴和z轴方向的移动。

6.根据权利要求5所述的燃料电池催化层双喷枪自动喷涂装置，其特征在于，所述第一电磁阀、第二电磁阀开关频次和开关持续时间由上位计算机控制，从而实现双喷枪组件的多种喷涂工艺。

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