novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.23.246-255novtexmech-1186Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИAUTOMATION AND CONTROL TECHNOLOGICAL PROCESSESАвтоматизация и управление процессом формирования электрокаталитических слоев с использованием двумерного координатного распылителяAutomation and Control of the Electrocatalytic Layers Formation Using a Two-Dimensional Coordinate Spraying MachineБарановИ. Е.BaranovI. E.

канд. физ.-мат. наук, начальник отдела

Москва

Moscow, 123182

iv3000@mail.ruНиколаевИ. И.NikolaevI. I.

ст. науч. сотр.

Москва

Moscow, 123182

hitcliff68@mail.ruСоловьевМ. А.SolovievM. A.

аспирант

Москва

Moscow, 111250

SolovyevMaxA@mpei.ruГригорьевС. А.GrigorievS. A.

д-р техн. наук, проф.

Москва

Grigoriev Sergey A., Dr. Tech. Sci., Professor

Moscow, 111250

GrigoryevSA@mpei.ruНациональный исследовательский центр "Курчатовский институт"РоссияNational Research Centre "Kurchatov Institute"Russian FederationНациональный исследовательский университет "МЭИ"РоссияNational Research University "Moscow Power Engineering Institute"Russian Federation202206052022235246255Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20222022Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1186

Описаны разработанное автоматизированное устройство для формирования электрокаталитических слоев, применяемых в электрохимических системах, и вопросы отработки технологии напыления, позволяющей получить наилучшие параметры формируемых слоев. Общая схема автоматизированного устройства включает в себя систему автоматического позиционирования распылительной головки по двум координатам, приводимую в движение шаговыми двигателями и управляемую от персонального компьютера, ультразвуковой мини-диспергатор, распылительную головку, генераторы ультразвука для ультразвукового мини-диспергатора и ультразвуковой распылительной головки. Управление шаговыми двигателями осуществляется микропроцессорной системой, построенной на основе восьмиразрядного однокристального микроконтроллера фирмы Atmel AT90S2313 и стандартных буферных микросхем. Ключевым исполнительным элементом устройства и процесса является разработанная распылительная головка с интегрированным ультразвуковым гомогенизатором, предотвращающим седиментацию каталитической композиции. Подробно описана разработанная и воспроизведенная общая цепь автоматизации для управления всеми электронными устройствами. Она отличается применением микропроцессора Attiny2313 для управления, наличием связи с персональным компьютером по интерфейсу RS-485, что позволяет не только включать/выключать диспергатор, но и непосредственно с персонального компьютера управлять его рабочей частотой. Предусмотрено как ручное управление контроллером шаговых двигателей через контрольные кнопки, так и управление от внешнего персонального компьютера, который имеет возможность управлять программой напыления пошагово. В этом случае вся последовательность шагов содержится в памяти персонального компьютера, она передается контроллеру шаговых двигателей поэтапно по мере выполнения программы. Выработаны алгоритмы перемещения распылительной головки, обеспечивающие наилучшую сушку каталитической композиции в процессе ее нанесения. Эффективность работы разработанного автоматизированного устройства показана путем сравнения с ручным нанесением специалистом по таким критериям, как скорость нанесения электрокаталитических слоев и их качество. Созданное устройство, алгоритмы его работы, программное обеспечение и научно-технический задел в целом могут использоваться для формирования различных покрытий как в электрохимических технологиях, так и в других областях.

The paper describes the developed automated device for the formation of electrocatalytic layers used in electrochemical systems, and the issues of development of the sputtering technology, which allows to obtain the best parameters of the formed active layers. The general scheme of the automated device includes a system of automatic positioning of the spraying head according to two coordinates, driven by stepper motors controlled by a personal computer, an ultrasonic mini-disperser, a spraying head, ultrasonic generators for the ultrasonic mini-disperser, and the ultrasonic spraying head. Stepper motors were controlled by microprocessor system based on 8-bit Atmel AT90S2313 single-chip microcontroller and standard buffer microcircuits. The key actuating element of the device and the process is the developed atomizing head with an integrated ultrasonic homogenizer that prevents sedimentation of the catalytic composition. The overall automation circuit designed and reproduced to control all electronic devices was described in detail. It differed by application of Attiny2313 microprocessor for the control, availability of communication with personal computer via RS-485 interface that allowed not only to switch the disperser on/off, but also to control its working frequency directly from the personal computer. It was envisaged both manual control of stepper motor controller via control buttons and control from external personal computer, which had the opportunity to control spraying program step by step. In this case all the sequence of steps is contained in the personal computer memory, it is transmitted to the stepper motor controller step-by-step as the program is being executed. Algorithms for moving the spraying head that provide the best drying of catalytic composition in the process of its application have been developed. The effectiveness of the developed automated device has been shown by comparing it with manual application by a specialist according to such criteria as the rate of application of electrocatalytic layers and their quality. The created device, algorithms of its operation, software and scientific and technological advance, in general, can be used for the formation of various coatings both in electrochemical technologies and in other fields.

автоматизированное устройствоуправление процессомкаталитические чернилараспыление каталитической композицииформирование электрокаталитического слоякоординатный столэлектрохимическая систематопливный элементэлектролизер водыполимерная электролитическая мембранаautomated deviceprocess controlcatalytic inksspraying of a catalytic compositionelectrocatalytic layer formationcoordinate tableelectrochemical systemfuel cellwater electrolyserpolymer electrolyte membraneРабота выполнена в рамках проекта "Модифицированные углеродные наноматериалы для электродов топливных элементов с твердым полимерным электролитом" при поддержке гранта НИУ "МЭИ" на реализацию программ научных исследований "Энергетика", "Электроника, радиотехника и IT" и " Технологии индустрии 4.0 для промышленности и робототехника" в 2020-2022 гг.This work has been performed within the framework of the project "Modified carbon nanomaterials for electrodes of fuel cells with solid polymer electrolyte", with the support of a grant from the National Research University "Moscow Power Engineering Institute" for the implementation of scientific research programs "Energy", "Electronics, Radio Engineering and IT", and "Industry 4.0 Technologies for Industry and Robotics in 2020—2022".ReferencesDoucet G., Etiévant C., Puyenchet C., Grigoriev S., Millet P. Hydrogen-based PEM auxiliary power unit // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34, N. 11. P. 4983—4989.Doucet G., Etiévant C., Puyenchet C., Grigoriev S., Millet P. Hydrogen-based PEM auxiliary power unit // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34, N. 11. P. 4983—4989.Baranov I. E., Grigoriev S. A., Ylitalo D., Fateev V. N., Nikolaev I. I. Transfer processes in PEM fuel cell: Influence of electrode structure // International Journal of Hydrogen Energy. 2006. Vol. 31, N. 2. P. 203—210.Baranov I. E., Grigoriev S. A., Ylitalo D., Fateev V. N., Nikolaev I. I. Transfer processes in PEM fuel cell: Influence of electrode structure // International Journal of Hydrogen Energy. 2006. Vol. 31, N. 2. P. 203—210.Grigoriev S. A., Kalinnikov A. A. Mathematical modeling and experimental study of the performance of PEM water electrolysis cell with different loadings of platinum metals in electrocatalytic layers // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, N. 3. P. 1590—1597.Grigoriev S. A., Kalinnikov A. A. Mathematical modeling and experimental study of the performance of PEM water electrolysis cell with different loadings of platinum metals in electrocatalytic layers // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, N. 3. P. 1590—1597.Baik S. M., Kim J., Han J., Kwon Y. Performance improvement in direct formic acid fuel cells (DFAFCs) using metal catalyst prepared by dual mode spraying // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36, N. 19. P. 12583—12590.Baik S. M., Kim J., Han J., Kwon Y. Performance improvement in direct formic acid fuel cells (DFAFCs) using metal catalyst prepared by dual mode spraying // International Journal of Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36, N. 19. P. 12583—12590.Wang W., Chen S., Li J., Wang W. Fabrication of catalyst coated membrane with screen printing method in a proton exchange membrane fuel cell // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40, N. 13. P. 4649—4658.Wang W., Chen S., Li J., Wang W. Fabrication of catalyst coated membrane with screen printing method in a proton exchange membrane fuel cell // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40, N. 13. P. 4649—4658.Talukdar K., Ripan M. A., Jahnke T., Gazdzicki P., Morawietz T., Friedrich K. A. Experimental and numerical study on catalyst layer of polymer electrolyte membrane fuel cell prepared with diverse drying methods // Journal of Power Sources. 2020. Vol. 461. P. 228169.Talukdar K., Ripan M. A., Jahnke T., Gazdzicki P., Morawietz T., Friedrich K. A. Experimental and numerical study on catalyst layer of polymer electrolyte membrane fuel cell prepared with diverse drying methods // Journal of Power Sources. 2020. Vol. 461. P. 228169.Arenas L. F., Hadjigeorgiou G., Jones S., Van Dijk N., Hodgson D., Cruden A., de León C. P. Effect of airbrush type on sprayed platinum and platinum-cobalt catalyst inks: Benchmarking as PEMFC and performance in an electrochemical hydrogen pump // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45, N. 51. P. 27392—27403.Arenas L. F., Hadjigeorgiou G., Jones S., Van Dijk N., Hodgson D., Cruden A., de León C. P. Effect of airbrush type on sprayed platinum and platinum-cobalt catalyst inks: Benchmarking as PEMFC and performance in an electrochemical hydrogen pump // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45, N. 51. P. 27392—27403.Shi Y., Lu Z., Guo L., Yan C. Fabrication of membrane electrode assemblies by direct spray catalyst on water swollen Nafion membrane for PEM water electrolysis // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, N. 42. P. 26183—26191.Shi Y., Lu Z., Guo L., Yan C. Fabrication of membrane electrode assemblies by direct spray catalyst on water swollen Nafion membrane for PEM water electrolysis // International Journal of Hydrogen Energy. 2017. Vol. 42, N. 42. P. 26183—26191.Huang T. H., Shen H. L., Jao T. C., Weng F. B., Su A. Ultra-low Pt loading for proton exchange membrane fuel cells by catalyst coating technique with ultrasonic spray coating machine // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37, N. 18. P. 13872—13879.Huang T. H., Shen H. L., Jao T. C., Weng F. B., Su A. Ultra-low Pt loading for proton exchange membrane fuel cells by catalyst coating technique with ultrasonic spray coating machine // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37, N. 18. P. 13872—13879.Grigoriev S. A., Fateev V. N., Pushkarev A. S., Pushkareva I. V., Ivanova N. A., Kalinichenko V. N., Wei X. Reduced graphene oxide and its modifications as catalyst supports and catalyst layer modifiers for PEMFC // Materials. 2018. Vol. 11. N. 8. P. 1405.Grigoriev S. A., Fateev V. N., Pushkarev A. S., Pushkareva I. V., Ivanova N. A., Kalinichenko V. N., Wei X. Reduced graphene oxide and its modifications as catalyst supports and catalyst layer modifiers for PEMFC // Materials. 2018. Vol. 11. N. 8. P. 1405.Fedotov A. A., Grigoriev S. A., Millet P., Fateev V. N. Plasma-assisted Pt and Pt-Pd nano-particles deposition on carbon carriers for application in PEM electrochemical cells // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38, N. 20. P. 8568—8574.Fedotov A. A., Grigoriev S. A., Millet P., Fateev V. N. Plasma-assisted Pt and Pt-Pd nano-particles deposition on carbon carriers for application in PEM electrochemical cells // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38, N. 20. P. 8568—8574.Lee E., Kim D. H., Pak C. Effects of cathode catalyst layer fabrication parameters on the performance of high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells // Applied Surface Science. 2020. Vol. 510. P. 145461.Lee E., Kim D. H., Pak C. Effects of cathode catalyst layer fabrication parameters on the performance of high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells // Applied Surface Science. 2020. Vol. 510. P. 145461.Shahgaldi S., Zhao J., Alaefour I., Li X. Investigation of catalytic vs reactant transport effect of catalyst layers on proton exchange membrane fuel cell performance // Fuel. 2017. Vol. 208. P. 321—328.Shahgaldi S., Zhao J., Alaefour I., Li X. Investigation of catalytic vs reactant transport effect of catalyst layers on proton exchange membrane fuel cell performance // Fuel. 2017. Vol. 208. P. 321—328.Guo Y., Pan F., Chen W., Ding Z., Yang D., Li B., Ming P., Zhang C. The controllable design of catalyst inks to enhance PEMFC performance: A review // Electrochemical Energy Reviews. 2021. Vol. 4, N. 1. P. 67—100.Guo Y., Pan F., Chen W., Ding Z., Yang D., Li B., Ming P., Zhang C. The controllable design of catalyst inks to enhance PEMFC performance: A review // Electrochemical Energy Reviews. 2021. Vol. 4, N. 1. P. 67—100.Uchida M., Aoyama Y., Eda N., Ohta A. Investigation of the microstructure in the catalyst layer and effects of both perfluorosulfonate ionomer and PTFE-loaded carbon on the catalyst layer of polymer electrolyte fuel cells // Journal of the Electrochemical Society. 1995. Vol. 142, N. 12. P. 4143.Uchida M., Aoyama Y., Eda N., Ohta A. Investigation of the microstructure in the catalyst layer and effects of both perfluorosulfonate ionomer and PTFE-loaded carbon on the catalyst layer of polymer electrolyte fuel cells // Journal of the Electrochemical Society. 1995. Vol. 142, N. 12. P. 4143.Kumano N., Kudo K., Suda A., Akimoto Y., Ishii M., Nakamura H. Controlling cracking formation in fuel cell catalyst layers // Journal of Power Sources. 2019. Vol. 419. P. 219—228.Kumano N., Kudo K., Suda A., Akimoto Y., Ishii M., Nakamura H. Controlling cracking formation in fuel cell catalyst layers // Journal of Power Sources. 2019. Vol. 419. P. 219—228.Wang M., Park J. H., Kabir S., Neyerlin K. C., Kariuki N. N., Lv H., Vojislav R. S., Deborah J. M., Ulsh M., Mauger S. A. Impact of catalyst ink dispersing methodology on fuel cell performance using in-situ X-ray scattering // ACS Applied Energy Materials. 2019. Vol. 2, N. 9. P. 6417—6427.Wang M., Park J. H., Kabir S., Neyerlin K. C., Kariuki N. N., Lv H., Vojislav R. S., Deborah J. M., Ulsh M., Mauger S. A. Impact of catalyst ink dispersing methodology on fuel cell performance using in-situ X-ray scattering // ACS Applied Energy Materials. 2019. Vol. 2, N. 9. P. 6417—6427.Петров М. Аналоговые и аналогово-цифровые микросхемы MAXIM // Компоненты и технологии. 2001. № 3 (12). С. 22—27.Petrov М. MAXIM analog and analog-digital microcircuits, Komponenty i tekhnologii, 2001, no. 3 (12), pp. 22—27 (in Russian).URL: https://www.sbclinear.co.kr/en/URL: https://www.sbclinear.co.kr/en/URL: https://www.servotechnica.ruURL: https://www.servotechnica.ru

The authors declare that there are no conflicts of interest present.