一种燃料电池膜电极组件的复合方法及其装置

摘要

本发明公开了一种燃料电池膜电极组件的复合方法及其装置。该复合方法，通过机器视觉技术测定GDL偏角，催化剂层偏角，根据角度差值引导机械手对GDL旋转纠偏。纠偏完成后测定和计算GDL两条边缘的交点坐标距离GDL采图相机视野中心的X和Y向偏差，测定和计算催化剂层两条边缘的交点坐标距离催化剂层采图相机视野中心的X和Y向偏差，并结合两个相机的机械安装位置，计算出GDL与催化剂层的位置综合偏差，该综合偏差用于引导机械手将GDL与催化剂层精确复合。

权利要求

1.一种燃料电池膜电极组件的复合方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

（1）、测定燃料电池膜电极组件中GDL一条边的偏角α和催化剂层对应边的偏角β；

（2）、根据测得的偏角，旋转GDLβ-α度，使得GDL的偏角与催化剂层的偏角相等；

（3）、利用GDL采图相机采集GDL图像，并在GDL图像的两条边缘各设置一个检测区域，分别计算两个区域内的边缘相对于图像坐标系的斜率和截距，从而确定了两条直线的坐标方程，联立两条直线的坐标方程求出GDL两条边缘的交点坐标（x1,y1）；利用催化剂层采图相机采集催化剂层的图像，使用同样的方法检测出催化剂层的两条边缘的交点坐标（x2,y2）；

（4）、计算GDL两条边缘的交点坐标（x1,y1）距离GDL采图相机视野中心的X和Y向偏差(Δx1,Δy1)，计算催化剂层两条边缘的交点坐标（x2,y2）距离催化剂层采图相机视野中心的X和Y向偏差(Δx2,Δy2)；

假设GDL采图相机视野中心和催化剂层采图相机视野中心在x方向位置相差Δx3，在y方向相差Δy3，则要将GDL从采图位置准确的贴在被检测的同样几何尺寸的催化剂层上，在X方向需移动的距离为Δx=Δx2-Δx1+Δx3，Y方向需移动的距离为Δy=Δy2-Δy1+Δy3；

（5）、将GDL在X和Y方向分别移动Δx和Δy，从而使GDL从采图位置准确的贴在被检测的同样几何尺寸的催化剂层上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极组件的复合方法，其特征在于，步骤（3）中，利用边缘检测算子和最小二乘法计算两个区域内的边缘相对于图像坐标系的斜率和截距。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池膜电极组件的复合方法，其特征在于，GDL采图相机视野中心和催化剂层采图相机均进行标定，确定两个相机各自的像素坐标系和世界坐标系的关系，并纠正其畸变。

4.一种燃料电池膜电极组件的复合装置，其特征在于，该装置包括计算机，催化剂层采图相机，背光光源，装有镜头的GDL采图相机，条形光源，多自由度机械手；

所述背光光源和催化剂层采图相机均安装在第一支架上，背光光源安装在催化剂层采图相机的下方，两条条形光源和GDL采图相机均安装在第二支架上，且两条条形光源对称安装在GDL采图相机的两侧，第一支架和第二支架均能够垂直和水平调节，催化剂层采图相机、GDL采图相机、多自由度机械手通过数据线与计算机相连，计算机用于控制多自由度机械手及进行数据处理。

说明书

一种燃料电池膜电极组件的复合方法及其装置

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料电池膜电极复合设备技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极组件的复合方法及其装置，本发明用于完成燃料电池膜电极组件中质子气体扩散层与催化剂层的贴合。

背景技术

[0002] 燃料电池膜电极组件(MEA，Membrane Electrode Assembly)主要由质子气体扩散层与催化剂层组成，是实现质子交换膜燃料电池电化学反应的核心组件，决定着燃料电池的性能。气体扩散层(GDL，Gas Diffusion Layer)的作用是向阳极和阴极均匀地提供燃料和氧化剂，同时排出阴极产生的水以及进行电荷传递。催化剂层(CL，Catalyst Layer)是发生化学反应的场所，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。GDL与催化剂层的层合质量直接影响了燃料电池的性能。

[0003] 目前现有的制备工艺中其主要工作都是通过手工完成，手工制作不仅效率低、成本高，而且制作的产品一致性不能得到保证。这极大的限制了质子交换膜燃料电池的商业应用。由于市场的强烈需求，从而推动了具有高可靠性、高精度的自动化设备的不断发展。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种燃料电池膜电极组件的复合方法，该方法具有重复定位精度高，稳定可靠的特点，可使GDL精确的贴在催化剂层上；本发明还提供了实现该方法的装置。

[0005] 本发明提供的一种燃料电池膜电极组件的复合方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

[0006] (1)、测定燃料电池膜电极组件中GDL一条边的偏角α和催化剂层对应边的偏角β；

[0007] (2)、根据测得的偏角，旋转GDL β-α度，使得GDL的偏角与催化剂层的偏角相等；

[0008] (3)、利用GDL采图相机采集GDL图像，并在GDL图像的两条边缘各设置一个检测区域，分别计算两个区域内的边缘相对于图像坐标系的斜率和截距，从而确定了两条直线的坐标方程，联立两条直线的坐标方程求出GDL两条边缘的交点坐标(x1，y1)；利用催化剂层采图相机采集催化剂层的图像，使用同样的方法检测出催化剂层的两条边缘的交点坐标(x2，y2)；

[0009] (4)、计算GDL两条边缘的交点坐标(x1，y1)距离GDL采图相机视野中心的X和Y向偏差(Δx1，Δy1)，计算催化剂层两条边缘的交点坐标(x2，y2)距离催化剂层采图相机视野中心的X和Y向偏差(Δx2，Δy2)；

[0010] 假设GDL采图相机视野中心和催化剂层采图相机视野中心在x方向位置相差Δx3，在y方向相差Δy3，则要将GDL从采图位置准确的贴在被检测的同样几何尺寸的催化剂层上，在X方向需移动的距离为Δx＝Δx2-Δx1+Δx3，Y方向需移动的距离为Δy＝Δy2-Δy1+Δy3；

[0011] (5)、将GDLX和Y方向分别移动Δx和Δy，从而使GDL从采图位置准确的贴在被检测的同样几何尺寸的催化剂层上。

[0012] 作为上述技术方案的改进，步骤(3)中，利用边缘检测算子和最小二乘法计算两个区域内的边缘相对于图像坐标系的斜率和截距。

[0013] 上述GDL采图相机视野中心和催化剂层采图相机均进行标定，确定两个相机各自的像素坐标系和世界坐标系的关系，并纠正其畸变。

[0014] 本发明提供的燃料电池膜电极组件的复合装置，其特征在于，该装置包括计算机，催化剂层采图相机，背光光源，装有镜头的GDL采图相机，条形光源，多自由度机械手；

[0015] 所述背光光源和催化剂层采图相机均安装在第一支架上，背光光源安装在催化剂层采图相机的下方，两条条形光源和GDL采图相机均安装在第二支架上，且两条条形光源对称安装在GDL采图相机的两侧，第一支架和第二支架均能够垂直和水平调节，催化剂层采图相机、GDL采图相机、多自由度机械手通过数据线与计算机相连，计算机用于控制多自由度机械手及进行数据处理。

[0016] 复合时，GDL位于GDL采图相机和条形光源的上方，催化剂层位于催化剂层采图相机的下方和背光光源的正上方。

[0017] 本发明的积极效果是：

[0018] 1.通过本发明，可以计算出GDL与催化剂层的位置综合偏差，然后引导机械手运动，从而将GDL精确贴在催化剂层上。

[0019] 2.燃料电池膜电极组件复合装置，采用了机器视觉技术，该技术是一种无接触的测量方式，可以保证催化剂层不被污染，同时可以保证足够的测量精度和测量速度。

附图说明

[0020] 图1是燃料电池膜电极组件复合装置示意图；

[0021] 图2是燃料电池膜电极复合设备视觉对位流程图；

[0022] 图3是燃料电池膜电极复合设备GDL角点检测原理图。

具体实施方式

[0023] 本发明提供的一种燃料电池膜电极组件的复合方法，首先对相机进行标定，标定两个相机各自的像素坐标系和世界坐标系的关系，纠正畸变；其中一个用于采集GDL的图像，称之为GDL采图相机，另一个用于采集催化剂层的图像，称之为催化剂层采图相机；该方法具体包括如下步骤：

[0024] S1、测定燃料电池膜电极组件中GDL一条边的偏角α和催化剂层对应边的偏角β；

[0025] S2、根据测得的偏角，旋转GDL β-α度，使得GDL的偏角与催化剂层的偏角相等；

[0026] S3、重新利用相机采集GDL和催化剂层的图像，并在GDL图像的两条边缘各设置1个检测区域，计算两个区域内的边缘相对于图像坐标系的斜率和截距，从而确定了两条直线的坐标方程，联立两条直线的坐标方程便可求出GDL两条边缘的交点坐标(x1，y1)；使用同样的方法检测出催化剂层的两条边缘的交点坐标(x2，y2)；

[0027] 计算两个区域内的边缘相对于图像坐标系的斜率和截距可以利用边缘检测算子和最小二乘法，也可以采用现有技术中其它各种方法来计算。

[0028] S4、计算GDL两条边缘的交点坐标(x1，y1)距离GDL采图相机视野中心的X和Y向偏差(Δx1，Δy1)，计算催化剂层两条边缘的交点坐标(x2，y2)距离催化剂层采图相机视野中心的X和Y向偏差(Δx2，Δy2)；

[0029] 假设GDL采图相机视野中心和催化剂层采图相机视野中心在x方向位置相差Δx3，在y方向相差Δy3，则要将GDL从采图位置准确的贴在被检测的同样几何尺寸的催化剂层上，在X方向需移动的距离为Δx＝Δx2-Δx1+Δx3，Y方向需移动的距离为Δy＝Δy2-Δy1+Δy3；

[0030] S5、将GDLX和Y方向分别移动Δx和Δy，从而使GDL从采图位置准确的贴在被检测的同样几何尺寸的催化剂层上。

[0031] 如图1所示，本发明装置包括集成图像处理软件和运动控制的计算机1，用于检测催化剂层的催化剂层采图相机2，背光光源5，装有镜头的用于检测GDL的GDL采图相机6，条形光源7，多自由度机械手9。

[0032] 所述背光光源5安装在催化剂层采图相机2的正下方，该光源和相机固定在可以垂直和水平调节的支架上，两条条形光源7对称安装在GDL采图相机6的两侧，该光源和相机固定在另一个可以垂直和水平调节的支架上，两个支架安装在燃料电池膜电极组件复合设备上，催化剂层采图相机2、GDL采图相机6、用于复合的多自由度机械手9通过数据线与计算机1相连。被检测的GDL8位于GDL采图相机6和条形光源7的上方，被检测的催化剂层3位于催化剂层采图相机2的下方和背光光源5的正上方。催化剂层3均匀的涂覆在透明薄膜4上，同一薄膜上的催化剂层几何尺寸和间距相同。

[0033] 如图2所示，催化剂层3均匀的涂覆在透明薄膜4上，同一薄膜上的催化剂层几何尺寸和间距相同。将催化剂层3安装在催化剂层采图相机2的下方，利用背光光源5照明，催化剂层采图相机2获得催化剂层3的图像，并通过数据线将图像传输给计算机1，计算机1通过自带的图像处理软件计算出催化剂层3的偏角β，GDL8安装在GDL采图相机6的正上方，并利用条形光源7照明，GDL采图相机6获得GDL8的图像，并通过数据线将图像传输给计算机1，计算机1通过自带的图像处理软件计算出GDL8的偏角α，计算机1控制机械手9使GDL旋转β-α度，使得GDL的偏角与催化剂层的偏角相等。催化剂层采图相机2重新采集GDL8的图像、GDL采图相机6重新采集催化剂层3的图像，两台相机通过数据线将图像传输到计算机1，计算机1计算出机械手9在X方向应该移动的距离Δx，Y方向应该移动的距离Δy。计算机1控制机械手9在X方向移动Δx，在Y方向移动Δy，将GDL8从工业相机3的采图位置，准确的贴在催化剂层3上，从而使催化剂层3与GDL8重合。

[0034] 机械手9可以采用各种自由度不少于3的多自由度机械手。

[0035] 以上内容是结合具体实施实例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。