Автоматизация и управление процессом формирования электрокаталитических слоев с использованием двумерного координатного распылителя

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Петров М. Аналоговые и аналогово-цифровые микросхемы MAXIM // Компоненты и технологии. 2001. № 3 (12). С. 22—27.

19. URL: https://www.sbclinear.co.kr/en/

20. URL: https://www.servotechnica.ru