应用于SPE膜的自动喷涂设备及其实现方法

摘要

本发明公开了一种应用于SPE膜的自动喷涂设备及其实现方法，包括机箱、导轨、催化剂温控喷涂装置、电机和PLC控制系统；机箱由上往下分为喷涂工作平台、真空室和设备箱；喷涂工作平台用于放置固定SPE膜的膜夹具，其台面上设有烧结多孔钛板，且该台面中均匀镶嵌有感应线圈；设备箱内分别设有真空泵和与感应线圈连接的加热装置；导轨设在机箱侧面；催化剂温控喷涂装置与导轨滑动连接，用于向SPE膜喷涂催化剂；电机用于控制催化剂温控喷涂装置沿着导轨移动；PLC控制系统同时与催化剂温控喷涂装置、电机、加热装置和真空泵连接。本发明可在保证催化剂催化性能的同时，避免SPE膜发生膜溶胀变形，提高成膜质量，满足批量制作的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于SPE膜的自动喷涂设备及其实现方法。

背景技术

SPE电解，是利用具有质子交换功能的固体聚合物电解质膜取代传统碱液电解质的一种方式，其以纯水为原料制氢，是21世纪极具发展前景的高效制氢手段。相对传统的碱液电解，SPE电解具有电流密度大、池体发热小、电解率高、可输出高纯（＞99.99%）及自增压氢气（＞0.1Mpa）的特点。

在SPE电解的相关技术中，负载阴、阳极催化剂的SPE膜制备是一项重要工作。目前常用方法包括转压法和直接喷涂法。转压法的工作原理是先将催化剂涂覆到其他易剥离介质（如聚四氟乙烯板）表面，再转压到SPE膜上，该方法成膜规整但操作较繁琐，转压压力、转压温度须充分优化，否则将严重影响催化剂与SPE膜附着牢固程度。而喷涂法的工作原理是将调制成悬液的催化剂墨水（CatalystInk）直接喷涂在SPE膜上，其操作方式简单，催化剂能与膜接触充分，因此，采用自动喷涂装置可有效解决催化层厚度的均一性问题，便于批量制备。

自动喷涂装置可以通过PLC控制喷嘴的喷涂速度、高度和循环次数来控制催更换喷头）完成喷涂工作。然而，现有的自动喷涂装置普遍存在着如下问题：

（1）为保证催化性能，催化剂墨水不能像涂料一样大量添加分散剂，因此催化剂墨水中催化剂在涂料罐放置过程中会逐渐沉淀、团聚，严重影响了喷涂的均匀性；

（2）催化剂墨水在与SPE膜接触过程中易造成膜溶胀变形，影响成膜规整度。

因此，需要根据载催化剂SPE膜制备的实际情况，设计专门的喷涂设备，以便于有效提高成膜质量，满足批量制作的要求。

发明内容

针对上述现有设备的不足，本发明提供了一种应用于SPE膜的自动喷涂设备及其实现方法，可在保证催化剂催化性能的同时，避免SPE膜发生膜溶胀变形，提高成膜质量，满足批量制作的要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

应用于SPE膜的自动喷涂设备，包括机箱、导轨、催化剂温控喷涂装置、电机和PLC控制系统，其中：

所述机箱由上往下分为三层，依次为喷涂工作平台、真空室和设备箱；所述喷涂工作平台用于放置固定SPE膜的膜夹具，其台面上设有烧结多孔钛板，且该台面中还均匀镶嵌有感应线圈；所述设备箱内分别设有用于抽真空使真空室形成负压状态的真空泵和与感应线圈连接的用于对喷涂工作平台进行加热的加热装置；

所述导轨设置在机箱侧面；

所述催化剂温控喷涂装置与该导轨滑动连接，用于向SPE膜喷涂催化剂；

所述电机与催化剂温控喷涂装置连接，用于控制催化剂温控喷涂装置沿着导轨移动；

所述PLC控制系统同时与催化剂温控喷涂装置、电机、加热装置和真空泵连接。

进一步地，所述设备箱中还设有用于在微小温差时对喷涂工作平台作出温度补偿的半导体降温模块。

再进一步地，所述喷涂工作平台上还分别设有大小、结构完全相同的X向定位夹具和Y向定位夹具；X向定位夹具和Y向定位夹具配合实现对SPE膜的膜夹具进行夹紧定位。

具体地说，所述X向定位夹具包括设置在喷涂工作平台上、且具有指针的标尺，以及滑块、滑块定位孔和滑块定位螺栓；所述滑块上设有用于定位膜夹具的调节槽；所述滑块定位孔至少为两个，且均布在标尺上；所述滑块通过滑块定位螺栓打入滑块定位孔的方式与标尺连接。

更进一步地，所述滑块上还设有滑块调节槽；所述的滑块定位螺栓贯穿该滑块调节槽，以实现滑块沿着标尺进行位置微调。

具体地说，所述催化剂温控喷涂装置包括与导轨滑动连接、且与电机连接的竖直支架，与该竖直支架连接的水平支架，与该水平支架滑动连接、并且位于喷涂工作平台上方的用于向SPE膜喷涂催化剂的喷嘴，以及分别与该喷嘴和PLC控制系统连接的催化剂储存装置。

具体地说，所述催化剂储存装置包括与喷嘴连接、并储存有催化剂墨水的涂料罐，设置在该涂料罐中的加热系统，以及均与涂料罐连接的超声波震荡器和温度传感器；所述超声波震荡器和温度传感器均与PLC控制系统连接。

基于上述装置的结构，本发明还提供了该自动喷涂设备的实现方法，包括以下步骤：

（1）启动真空泵，使真空室处于负压状态；

（2）将需要喷涂的SPE膜通过膜夹具放置在喷涂工作平台上；

（3）利用加热装置将喷涂工作平台加热至指定的喷涂温度；

（4）调整竖直支架和水平支架的位置，使喷嘴处于合适的喷涂位置，然后加热涂料罐中的催化剂墨水至所需温度；该步骤中，温度传感器实时反馈涂料罐中的催化剂墨水温度数据，以使PLC控制系统控制加热系统保证催化剂墨水的加热温度；

（5）利用超声波震荡器对催化剂墨水进行超声震荡，消除其中的团聚现象；

（6）从SPE膜的一端开始，采用U型扫描喷涂的方式对SPE膜进行喷涂；

（7）按照步骤（6）的方式，对SPE膜来回喷涂，直至其单面喷涂完毕；

（8）取下膜夹具，然后翻转，并重新放置到喷涂工作平台上，继续循环步骤（6）、（7），完成喷涂工作。

进一步地，所述步骤（2）中，放置好SPE膜的膜夹具后，还利用X向定位夹具和Y向定位夹具对该膜夹具进行夹紧定位。

再进一步地，所述步骤（3）中，在对喷涂工作平台加热的过程中，还利用半导体降温模块对喷涂工作平台台面的温度进行温差补偿。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明在喷涂工作平台的台面上采用烧结多孔钛板，并设置了真空泵和真空室，利用真空泵对真空室的抽真空，使其形成负压状态，如此一来，利用烧结多孔钛板上的微孔，可使气体在钛板中保持稳定的渗透率，并且利用真空室的负压，可以使SPE膜充分贴合在烧结多孔钛板的表面，从而避免了传统毫米孔径的台面抽真空时造成的膜变形。

（2）本发明在喷涂工作平台中嵌入了感应线圈，通过加热装置的加热，可使喷涂工作平台以磁场感应涡流的方式进行加热，从而避免了使用电阻丝加热带来的温度分布不均，如此可使喷涂介质的挥发更加均匀，膜的厚度更加均一、稳定。

（3）本发明设置了超声波震荡器和温度传感器，可以保证催化剂墨水的均匀性，并实时控制催化剂墨水的加热温度，确保其不出现团聚的现象。

（4）本发明采用导轨、竖直支架和水平支架来控制喷嘴的移动，调节其与喷涂工作平台台面的距离，并结合催化剂墨水的温度来调整喷嘴的喷涂速度，同时，在喷涂时还采用了U型扫描喷涂的方式进行喷涂，且其扫描间距可调，因而不仅确保了SPE膜喷涂的全面性，也保证了其喷涂的均匀性。

（5）本发明在喷涂工作平台上设置了定位夹具，可实现对膜夹具的精准定位，并且还可以实现辅助定位判断，方便对SPE膜的均匀喷涂。

（6）为保证温度恒定，减少温度波动，本发明还配置了一套半导体降温模块，其可在微小温差时对喷涂工作平台作出温度补偿，从而使喷涂工作平台的温度更加稳定，进一步保证SPE膜喷涂工作的顺利进行。

（7）本发明设计合理、使用方便、喷涂稳定性高，具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明部分零部件的局部剖视图。

图3为本发明中X向定位夹具（或Y向定位夹具）的结构示意图。

其中，附图标记对应的零部件名称为：

1-喷涂工作平台，2-机箱，3-导轨，4-竖直支架，5-水平支架，6-喷嘴，7-超声波震荡器，8-温度传感器，9-涂料罐，10-X向定位夹具，101-滑块定位孔，102-标尺，103-观察窗，104-滑块定位螺栓，105-调节槽，106-滑块调节槽，107-滑块，11-加热装置，12-真空泵，13-真空室，14-电机，15-PLC控制系统，16-设备箱，17-半导体降温模块。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1、2所示，本发明提供了一种新型的SPE膜自动喷涂装置，其包括机箱2、导轨3、催化剂温控喷涂装置、电机14和与电机14连接的PLC控制系统15。

所述的机箱2由上往下分为三层，依次为喷涂工作平台1、真空室13和设备箱16，其中，喷涂工作平台1用于放置膜夹具（固定SPE膜用），其台面上设有烧结多孔钛板，且该台面中还均匀镶嵌有感应线圈；所述设备箱内分别设有用于抽真空使真空室形成负压状态的真空泵12和与感应线圈连接的用于对喷涂工作平台进行加热的加热装置11，所述的真空泵12和加热装置11均与PLC控制系统15连接。此外，所述的设备箱16中还设有半导体降温模块17，其用于在微小温差时对喷涂工作平台作出温度补偿，以使喷涂工作平台1的温度更加稳定。

另外，为实现对膜夹具的精准定位的同时，可以实现辅助定位判断，所述喷涂工作平台1上还分别设有大小、结构完全相同的X向定位夹具和Y向定位夹具；X向定位夹具和Y向定位夹具配合实现对SPE膜的膜夹具进行夹紧定位。如图3所示，以X向定位夹具为例，该X向定位夹具10包括设置在喷涂工作平台1上、且具有指针的标尺102，以及滑块107、滑块定位孔101和滑块定位螺栓104；所述滑块107上设有用于定位膜夹具的调节槽105；所述滑块定位孔101至少为两个，且均布在标尺102上；所述滑块107通过滑块定位螺栓打入滑块定位孔的方式与标尺102连接。并且，滑块107上还设有观察窗103和滑块调节槽106，其中，指针位于该观察窗103内，从而利用观察窗103，可以方便了解标尺102的读数；而所述的滑块定位螺栓104则贯穿滑块调节槽106，以实现滑块107沿着标尺进行位置微调。

所述导轨3设置在机箱2侧面，所述的催化剂温控喷涂装置用于向SPE膜喷涂催化剂，而所述的电机14则用于控制催化剂温控喷涂装置沿着导轨移动，本实施例中，该电机14采用步进电机。具体地说，所述催化剂温控喷涂装置包括与导轨3滑动连接、且与电机14连接的竖直支架4，与该竖直支架4连接的水平支架5，与该水平支架5滑动连接、并且位于喷涂工作平台上方的用于向SPE膜喷涂催化剂的喷嘴6，以及催化剂储存装置。本实施例中，喷嘴6采用圆孔形喷嘴，其可以采用电动机控制或手动调节的方式在水平支架5上移动。同时，喷嘴6的孔径可以根据需要喷涂膜的大小更换。如此一来，根据所需膜厚度和膜大小选用合适的孔径、间距以及移动距离，可以实现均匀的膜喷涂。

而进一步地，所述催化剂储存装置包括与喷嘴6连接、并储存有催化剂墨水的涂料罐9，设置在该涂料罐9中的加热系统，以及均与涂料罐9连接的超声波震荡器7和温度传感器8；所述超声波震荡器7和温度传感器8均与PLC控制系统15连接。本实施例中，温度传感器8和超声波震荡装置7安装在喷嘴6附近，用于将催化剂墨水进行超声震荡，消除催化剂的团聚的同时测量催化剂墨水的温度。

下面对本发明采用催化剂自动喷涂SPE膜的过程进行详细介绍。

初始时，启动真空泵12，对抽真空室13进行抽真空，使其处于负压状态。而后，将所需喷涂的SPE膜放置在喷涂工作平台1的台面上（通过在膜夹具），膜夹具距离喷涂工作平台的距离不大于1cm。然后通过X向定位夹具和Y向定位夹具进行定位。该过程中，SPE膜放置在喷涂工作平台1上时，利用烧结多孔钛板上的微孔，可使气体在钛板中保持稳定的渗透率，而真空室13的负压则可以使SPE膜充分贴合在烧结多孔钛板的表面，从而有效消除喷涂过程中SPE膜的溶胀。

接着，利用加热装置11将喷涂工作平台1加热到指定的温度。由于喷涂工作平台1的台面中均匀镶嵌有感应线圈，感应线圈升温快且稳定，因而可以避免使用普通的电阻丝加热过程中前置加热时间过长，要达到整个喷涂平台温度均匀较难等问题。又由于在设备箱16中设置有半导体降温模块17，因此在加热的过程中，可以实现温度补偿，使喷涂工作平台1的温度更加稳定。

而后，通过电机14调整竖直支架4和水平支架5的位置，调整好喷嘴6的喷涂位置。这是因为喷嘴6距SPE膜的位置一定时，喷涂半径R为定值，且喷涂时喷涂中心厚度较厚，所以在喷涂时为了综合喷涂效率，喷涂质量，需合理的设置喷嘴距离膜的高度。

紧接着，利用加热系统将涂料罐9中的催化剂墨水加热至所需的温度，然后利用超声震荡器7对加热的催化剂墨水进行震荡，消除其中的团聚现象。在此过程中，通过温度传感器8来实时反馈催化剂墨水的温度，并通过PLC控制系统15控制加热系统，保证催化剂墨水的加热温度，进而保证其在喷涂时溶剂能迅速挥发且不会造成SPE膜溶胀。

本发明采用U型扫描喷涂的方式对SPE膜进行喷涂，具体为：从SPE膜的一端开始，来回进行U型扫描喷涂，通过需求的催化剂厚度来设定喷涂的循环次数，而喷嘴6处的流量则与喷涂速度、基质温度和催化剂墨水的温度有关。通过调节圆形孔喷嘴6处的流量以及喷涂速度，通过多次循环扫描喷涂，能够实现SPE膜上催化剂的均匀喷涂。

单面喷涂完毕后，从定位夹具上取下膜的夹具，然后直接翻面，并重新固定在定位夹具上，然后继续重复上述步骤，直至完成喷涂工作。

本发明通过合理的结构及流程设计，不仅有效解决了SPE膜在喷涂过程中因为受热不均而引起的膜溶胀问题，而且利用喷嘴在支架上的位置调节以及PLC控制系统控制的喷涂速度，并根据所需催化剂层厚度进行合适的循环喷涂，可以得到均匀的喷涂膜成品。同时，通过在设置的温度传感器和超声震荡装置，则可以有效解决催化剂墨水放置过程中的团聚现象。由此可见，本发明很好地解决了现有技术所存在的问题，其与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。