CN102832404B - 一种燃料电池膜电极组件的层合装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池膜电极组件的层合装置，包括：分别沿着不同输送路径输送两组复合膜层的第一和第二输送机构，对两组复合膜层执行层合处理的层合机构，对层合后膜层执行对齐检测的对齐检测机构，以及对齐调整单元；其中第一、第二输送机构分别用于输送对应模切有多个模切框的第一、第二复合膜层；对齐检测机构用于对层合后膜层采集其模切框图像；对齐调整单元根据对齐检测机构所获得的模切框图像，计算其间距值并相应调整第二输送机构的输送调节，从而实现两组复合膜层的对齐及层合。本发明还公开了相应的层合方法。通过本发明，可以使膜电极组件中两个密封层之间实现精确对齐，同时具备重复定位精度高、便于操作和稳定可靠等优点。

Description

一种燃料电池膜电极组件的层合装置及其方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池膜电极组件的层合装置及其方法。

背景技术

燃料电池膜电极组件（缩写为MEA，Membrane Electrode Assembly）主要由质子交换膜、密封层、催化剂层与气体扩散层等组成，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。其中质子交换膜（缩写为PEM，Proton Exchange Membrane)主要是提供质子传递的通道（从阳极到阴极），同时应防止两边的反应气体互串及阴、阳极发生短路，因此PEM不仅要具有良好的阻气能力和传导质子的能力，还应具有一定的机械强度，同时在电池运行的时候要具有良好的结构稳定性。密封层（SEAL）是一种经过模切的边框结构薄膜，位于PEM的上下两面，用于防止反应气体绕过气体扩散层的边缘发生互串。同时考虑到生产的可执行性及薄膜的结构强度问题，在SEAL膜的一侧还有支撑膜。然后，在完成对PEM与密封层的层合过程之后，将双层密封层的各自支撑膜、以及密封层相堆叠的中间部分去除，并譬如通过涂覆方式在余下部分上涂覆催化剂并在所形成的催化剂层上继续层合上下两层的气体扩散层，由此完成燃料电池膜电极组件的成型过程。

由此可见，对于染料电池膜电极组件，其主要的层合操作涉及密封层和PEM之间的层合，因此如何保证它们之间的定位精准，成为了膜电极组件层合质量好坏的重要标准。然而，目前现有的膜电极组件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较差，尤其是对于密封层中多个模切方框之间不能保证准确的定位。相应地，这极大限制了燃料电池的商业应用，并在本行业中存在对具备高可靠性、高精度的自动化层合工艺方法及其相应层合装置的强烈技术需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种燃料电池膜电极组件的层合装置及其方法，通过本发明，可使膜电极组件中两个密封层之间实现精确对齐，同时具备重复定位精度高、便于操作和稳定可靠等优点。

按照本发明的一个方面，提供了一种燃料电池膜电极组件的层合装置，该层合装置包括分别沿着不同输送路径输送第一和第二复合膜层的第一输送机构和第二输送机构，对第一和第二复合膜层执行层合处理的层合机构，对层合后复合膜层执行对齐检测的对齐检测机构，以及对齐调整单元，其特征在于：

所述第一输送机构包括输送对辊和剥料平台，其中所述输送对辊用于以设定的角速度输送第一复合膜层，该第一复合膜层由五层透明膜层也即密封支撑膜、密封层、密封保护膜、质子交换膜和质子交换保护膜依次粘结层合而成，并且其中的密封层和密封保护膜被垂直模切由此在输送方向上形成有多个间隔的模切框；所述剥料平台用于剥离第一复合膜层上的质子交换保护膜以便与第二复合膜层相层合；

所述第二输送机构包括输送对辊、模切平台和剥料平台，其中所述输送对辊用于以设定的角速度输送第二复合膜层，该第二复合膜层由三层透明膜层也即密封支撑膜、密封层和密封保护膜依次粘接层合而成，并且其中的密封层和密封保护膜通过所述模切平台以预定时间间隔执行垂直模切，由此在输送方向上形成与第一复合膜层上的模切框尺寸相一致的多个间隔模切框；所述剥料平台用于剥离密封保护膜上位于其模切框之外的部分，以便与第一复合膜层相层合；

所述对齐检测机构用于对层合处理后的复合膜层采集其模切框图像，由此获得分别处于第一、第二复合膜层中相邻且亮度不同的两个模切框图像之间的间距信息；

所述对齐调整单元根据对齐检测机构所获得的模切框图像，计算对应的间距值并由此判断第一、第二复合膜层之间的对齐状态，然后通过相应调整第二输送机构中的输送对辊的角速度，从而实现第一与第二复合膜层的对齐及层合。

作为进一步优选地，所述对齐检测机构是工业照相机，并配备有相应的条形光源。

作为进一步优选地，所述层合装置还包括收卷机构，该收卷机构沿着输送方向设置在所述层合机构和对齐检测机构的下游侧，用于对层合后的复合膜层予以收卷处理。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的层合方法，该方法包括：

（a）对工业照相机执行预标定，由此为工业照相机所拍摄的图像建立像素坐标，并将该像素坐标转换成世界坐标系下的对应坐标值,并数出从工业照相机到第二输送机构的模切平台之间沿着输送方向的间隔模切框数量k；

（b）通过设定第二输送机构中输送对辊的初始角速度ω₀、半径r及每次执行旋转的时间t，相应获得数值等于ω₀*r*t的旋转进给步距s并将该旋转进给步距设定为各个复合膜层中相邻两个模切框之间的中心距相等；此外，将第一输送机构和层合机构分别设定为与第二输送机构相同的进给步距s执行旋转，由此将第一、第二复合膜层输送至层合机构处并执行层合处理；

（c）通过工业照相机对执行层合处理后的复合膜层采集其模切框图像，，然后通过对齐调整单元计算分别处于第一、第二复合膜层中相邻且亮度不同的两个模切框图像之间的间距值d；

（d）根据所计算出的间距值d来执行相应调整：当计算出的间距值d等于0时，保持第二输送机构中输送对辊的角速度不变；当计算出的间距值d不等于0时，则对所述相邻且亮度不同的两个模切框图像的前后次序进行判断并相应改变：其中当亮度相对较高的模切框图像在前时，将第二输送机构中输送对辊的角速度设置为ω=ω₀+d/(r*t)；当亮度相对较高的模切框图像在后时，则将第二输送机构中输送对辊的角速度设置为ω=ω₀-d/(r*t)；

（e）将第二输送机构的输送对辊按照调整后的角速度执行一次进给，然后将其角速度恢复为初始角速度ω₀并继续执行k-1次进给；

（f）重复执行以上步骤（c）至（e），直至完成燃料电池膜电极组件的整个层合过程。

与现有技术相比，按照本发明的用于燃料电池膜电极组件的层合装置及其方法主要具备以下的优点：

1、通过检测两个复合膜层之间的相邻模切框的间距及其前后次序，能够准确获知复合膜层之间的对齐状态，并通过对单个输送机构的输送速度调整，从而保证了两个复合膜层的精确对齐及层合；

2、本发明充分利用两个复合膜层各自的自身结构特征及其内部相邻模切框亮度不同的特点，并根据这些特点相应设计光学检测装置来获取便于识别的模切框图像；而且视觉定位技术是一种无接触的测量方式，可以保证被检测的薄膜不被污染，同时防止薄膜进给受到干扰；

3、按照本发明的层合装置整体结构容易构建，方法便于操作，并能保证足够的测量精度，因此尤其适用于燃料电池膜组件之类的多层薄膜的层合过程。

附图说明

图1是按照本发明的燃料电池膜电极组件层合装置的总体结构示意图；

图2a是用于层合形成燃料电池膜组件的第一复合膜层的结构示意图；

图2b是用于层合形成燃料电池膜组件的第二部分复合膜层的结构示意图

图3是按照本发明执行层合后的燃料电池膜电极组件的成品结构图；

图4是按照本发明用于对复合膜层执行视觉对位调整的流程工艺图；

图5是用于显示按照本发明通过工业照相机所采集到的对齐状况示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是用于显示按照本发明的燃料电池膜电极组件的层合装置的总体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的层合装置主要包括分别沿着不同路径输送两组复合膜层的第一输送机构和第二输送机构、将这两组复合膜层予以层合处理的层合机构、对层合后负荷膜层执行对齐检测的对齐检测机构，以及相应的对齐调整单元。例如，对于图2a中所示第一复合膜层1，会依次经过输送辊对2、剥料平台4、惰辊5和7然后到达层合对辊17处；而对于图2b中所示复合膜层，会依次经过放料辊10、惰辊12和14、输送对辊15，以及剥料平台9到达层合对辊17处。当两组复合膜层在层合对辊17处执行层合之后，继续经过譬如工业照相机18的对齐检测机构执行对齐检测，最后在收料辊21处执行收卷处理。

如图2a中所示，第一复合膜层1由五层透明膜层粘接层合而成，它们依次分别为：用于提高薄膜机械强度的支撑膜101、密封层102、密封保护膜103、质子交换膜104，以及用于防止质子交换膜104被污染的质子交换保护膜105；其中在输送前的加工过程中，首先将密封层102上的密封保护膜103部分撕去，然后将质子交换膜104贴合其上，并且密封层102和密封保护膜103会在两者相同的位置处，譬如通过装有矩形刀模且可上下运动的模切机垂直模切形成多个间隔的模切框，由此形成如图2a中所示结构的第一复合膜层。当以上构造的第一复合膜层1经过剥料平台4时，其从属的剥离辊3旋转以将该复合膜层的质子交换保护膜105剥离，然后继续输送至层合对辊17处。

如图2b中所示，第二复合膜层11由3层透明膜粘接层合而成，它们分别为用于提高薄膜机械强度的支撑膜1101、密封层1102，以及密封保护膜1103；其中在模切平台13处，密封层1102和密封保护膜1103会在两者相同的位置处被垂直模切，并且其模切尺寸（包括模切长度和宽度）、切痕深度分别与第一复合膜层1中的密封层102、密封保护膜103相同，由此形成与第一复合膜层中的模切框形状相一致的多个间隔的模切框。当以上构造的第二复合膜层11经过剥料平台9时，其从属的剥离辊8旋转以将该复合膜层的密封保护膜1103的边框剥离（也即剥去该密封保护膜1103上模切框范围之外的部分），然后继续输送至层合对辊17处。

当第一复合膜层和第二复合膜层同时到达层合对辊17处时，分别被剥离了质子交换保护膜105的第一复合膜层、被剥离了密封保护膜1103边框的第二复合膜层两者经层合对辊17挤压层合为一体，由此构成了如图3所示的成品。该成品由7层透明薄膜粘接而成，自上而下依次为：支撑膜1101、密封层1102、密封保护膜1103、质子交换膜104、密封保护膜103、密封层102，以及支撑膜101。此外，该成品的第一复合膜层中密封层1102、密封保护膜1103上所形成的多个模切方框，沿着膜层输送方向分别与第二复合膜层中密封保护膜103、密封层102上所形成的多个模切方框保持对应。

当第一复合膜层和第二复合膜层完成层合后，会通过工业照相机18执行层合检测，最后在收料辊21处执行收卷处理。工业照相机18例如安装在成品输送路径的上方，其附近设置有条形光源19，它的采图视野如图5中所示的虚线矩形方框，由此可以对层合后成品上包含各个模切框的位置采集图像。由于密封层1102位于密封层102的上部，因此工业照相机18所采集到的密封层1102和密封层102上的相邻模切框图像（换而言之，即对第二复合膜层和第一复合膜层分别采集到的相邻模切框图像），前者的亮度要比后者的亮度大，相应地，当第一、第二复合膜层未能精确执行层合定位时，则会获得一前一后的的两个不同亮度的方框图像，并能根据这些方框之间的位置关系来确定层合定位状态及其进行相应调整。如图5中所示，虚线矩形方框内显示了两组未完全重合的方框图像，其中黑色粗实线代表亮度较高的方框图像，黑色细实线代表亮度较低的方框图像，这种情况下表明密封层1102上的模切方框略微超出了密封层102上的模切方框，因此应对后续的第一或第二复合膜层输送状态执行调整，以保证两者之间的精确层合定位。工业照相机18将所采集的模切膜图像传递给与之相连的对齐调整单元，该对齐调整单元例如为一台计算机，并能自动计算分别处于第一、第二复合膜层中相邻且亮度不同的两个模切框图像之间的间距值，由此根据该间距值以及两个模切框图像的不同前后次序，相应对后续的第一或第二复合膜层输送状态执行调整。

图4是按照本发明用于对复合膜层执行视觉对位调整的流程工艺图。如图4中所示，首先应在设备开机前，对工业照相机18执行预标定，由此为工业照相机所拍摄的图像建立像素坐标，并将该像素坐标转换成世界坐标系下的对应坐标值。接着譬如通过人工方式或其他类似方式数出从工业照相机到第二输送机构的模切平台之间沿着输送方向的间隔模切框的数量k。接着，将第二输送机构中输送对辊15的初始角速度设定为ω₀，其半径设定为r，每次执行旋转的时间设定为t，这样对第二复合膜层11而言，其旋转进给步距s=ω₀*r*t，并且该进给步距s与各个复合薄膜中相邻两个模切方框的中心距相等。与此同时，将第一输送机构中输送对辊2、以及层合对辊17的旋转进给步距设定为与第二输送机构相同，由此将第一、第二复合膜层输送至层合对辊处并执行层合处理。

接着，通过工业照相机对执行层合处理后的复合膜层采集其模切框图像，然后通过对齐调整单元计算分别处于第一、第二复合膜层中相邻且亮度不同的两个模切框图像之间的间距值d。

接着，可以根据所所计算出的间距值d来执行相应调整：其中当计算出的间距值d等于0时，说明第一、第二复合膜层之间的对齐状态良好，相应应保持第二输送机构中输送对辊15的角速度不变。当计算出的间距值d不等于0时，则应对所述相邻且亮度不同的两个模切框图像的前后次序进行判断并进行相应改变：当亮度相对较高的模切框图像在前时，将第二输送机构中输送对辊15的角速度设置为ω=ω₀+d/(r*t)；当亮度相对较高的模切框图像在后时，则将第二输送机构中输送对辊的角速度设置为ω=ω₀-d/(r*t)。

当对第二输送机构的输送对辊按照调整后的角速度（其数值可能增大、减小，也可能保持不变）执行一次进给（这样输送对辊至模切平台之间的模切框相应都按照调整后的步距执行进给），然后将其角速度恢复为初始角速度并继续执行k-1次进给。重复执行以上采图、计算间距值d和角速度调整步骤，直至完成燃料电池膜电极组件的整个层合过程为止。

通过以上过程，可以通过无接触、无污染的方式准确获知复合膜层之间的对齐状态，并通过对单个输送机构的输送速度调整，从而以简单、便于操作的方式来保证燃料电池膜电极组件中复合膜层的精确对齐及层合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种燃料电池膜电极组件的层合装置，该层合装置包括分别沿着不同输送路径输送第一和第二复合膜层的第一输送机构和第二输送机构、对第一和第二复合膜层执行层合处理的层合机构、对层合后复合膜层执行对齐检测的对齐检测机构，以及对齐调整单元，其特征在于：

所述第一输送机构包括第一输送对辊(2)和第一剥料平台(4)，其中所述第一输送对辊(2)用于以设定的角速度输送第一复合膜层(1)，该第一复合膜层(1)由五层透明膜层也即密封支撑膜(101)、密封层(102)、密封保护膜(103)、质子交换膜(104)和质子交换保护膜(105)依次粘结层合而成，并且其中的密封层(102)和密封保护膜(103)被垂直模切由此在输送方向上形成有多个间隔的模切框；所述第一剥料平台(4)用于剥离第一复合膜层上的质子交换保护膜(105)以便与第二复合膜层相层合；

所述第二输送机构包括第二输送对辊(15)、模切平台(13)和第二剥料平台(9)，其中所述第二输送对辊(15)用于以设定的角速度输送第二复合膜层(11)，该第二复合膜层(11)由三层透明膜层也即密封支撑膜(1101)、密封层(1102)和密封保护膜(1103)依次粘接层合而成，并且其中的密封层(1102)和密封保护膜(1103)通过所述模切平台(13)以预定时间间隔执行垂直模切，由此在输送方向上形成与第一复合膜层上的模切框尺寸相一致的多个间隔模切框；所述第二剥料平台(9)用于剥离密封保护膜(1103)上位于其模切框之外的部分，以便与第一复合膜层相层合；

所述对齐检测机构用于对层合处理后的复合膜层采集其模切框图像，由此获得分别处于第一、第二复合膜层中相邻且亮度不同的两个模切框图像之间的间距信息；

所述对齐调整单元根据对齐检测机构所获得的模切框图像，计算对应的间距值并由此判断第一、第二复合膜层之间的对齐状态，然后通过相应调整第二输送机构中的第二输送对辊(15)的角速度，从而实现第一与第二复合膜层的对齐及层合。

2.如权利要求1所述的层合装置，其特征在于，所述对齐检测机构是工业照相机(18)，并配备有相应的条形光源(19)。

3.如权利要求1或2所述的层合装置，其特征在于，所述层合装置还包括收卷机构(21)，该收卷机构(21)沿着输送方向设置在所述层合机构和对齐检测机构的下游侧，用于对层合后的复合膜层予以收卷处理。

4.一种使用如权利要求2所述的层合装置对燃料电池膜电极组件执行层合的方法，该方法包括：

(a)对工业照相机执行预标定，由此为工业照相机所拍摄的图像建立像素坐标，并将该像素坐标转换成世界坐标系下的对应坐标值，并数出从工业照相机到第二输送机构的模切平台之间沿着输送方向的间隔模切框数量k；

(b)通过设定第二输送机构中第二输送对辊的初始角速度ω₀、半径r及每次执行旋转的时间t，相应获得数值等于ω₀*r*t的旋转进给步距s并将该旋转进给步距设定为各个复合膜层中相邻两个模切框之间的中心距相等；此外，将第一输送机构和层合机构分别设定为与第二输送机构相同的进给步距s执行旋转，由此将第一、第二复合膜层输送至层合机构处并执行层合处理；

(c)通过工业照相机对执行层合处理后的复合膜层采集其模切框图像，然后通过对齐调整单元计算分别处于第一、第二复合膜层中相邻且亮度不同的两个模切框图像之间的间距值d；

(d)根据所计算出的间距值d来执行相应调整：当计算出的间距值d等于0时，保持第二输送机构中第二输送对辊的角速度不变；当计算出的间距值d不等于0时，则对所述相邻且亮度不同的两个模切框图像的前后次序进行判断并相应改变：其中当亮度相对较高的模切框图像在前时，将第二输送机构中第二输送对辊的角速度设置为ω＝ω₀+d/(r*t)；当亮度相对较高的模切框图像在后时,则将第二输送机构中第二输送对辊的角速度设置为ω＝ω₀-d/(r*t)；

(e)将第二输送机构的第二输送对辊按照调整后的角速度执行一次进给，然后将其角速度恢复为初始角速度ω₀并继续执行k-1次进给；

(f)重复执行以上步骤(c)至(e)，直至完成燃料电池膜电极组件的整个层合过程。