CN114234821A - 一种膜电极厚度检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膜电极厚度检测装置及检测方法，该装置包括样品台，位于样品台相对的两个方向上分别设有激光器，相对的激光器向膜电极的两个表面发射激光；样品台活动设置于运动导轨上，运动导轨由控制系统控制。该方法为：将样品台固定在运动导轨之上，运动导轨由控制系统确定运动轨迹，一组激光器发射的激光相对；经过数据收集系统和处理系统，可以得到膜电极的平均厚度。本发明将激光测距技术引入膜电极生产线中，与常规的单侧激光测距不同，本发明双侧激光测距可以实现对膜电极表面全覆盖式的取点检测，确保膜电极生产过程中厚度检测的准确性；检测精度可达到0.1μm；不会对膜电极结构造成破坏，可运用于实际膜电极工业生产中。
Description
技术领域
本发明涉及一种电极组件厚度检测装置及检测方法，尤其涉及一种膜电极厚度检测装置及检测方法。
背景技术
燃料电池是一种能量转换装置，通过电化学反应过程将氢气和氧气分别氧化和还原，释放出电能，并生产副产物水。燃料电池主要由阴阳极和电解质隔膜三部分组成，其中电池阳极发生氧化反应；电池阴极发生还原反应，阴极和阳极共同作用使燃料电池发生完整的电化学反应。燃料电池内部结构由几十至上百节的膜电极和双极板依次串联而成，其中膜电极是燃料电池的核心部件，是电池内部电化学反应发生的场所，其由离子交换膜、催化层、气体扩散层组成。其中根据催化层制备工艺的不同，膜电极结构又包括了第一代的气体扩散电极、第二代的CCM型电极、和第三代的薄层有序结构电极等，目前最为广泛应用的仍然是第二代CCM型膜电极。随着燃料电池技术的快速发展，膜电极的制备过程也从实验室的小型单片制备过程，发展到专业生产线的连续制备过程，为了保证批量化制备膜电极的一致性，对膜电极制备过程的质量监控也提出了更高的要求。
氢燃料汽车行业的兴起，带动了下游燃料电池行业广大的发展前景，组成燃料电池中的核心部件膜电极随之需求也剧增，然而关于燃料电池膜电极的厚度高精度测量目前遇到了瓶颈，主要存在以下两点：1、测量精度和稳定性不高(膜电极膜厚度薄，材质软易变形)：(1)标准的传感器测量力大，量程大，测量时造成膜电极的弹性变形；(2)传感器测量头的提升装置速度不易控制，测量速度不恒定造成弹性变形不稳定；(3)测量夹持机构不牢固；(4)薄膜放置在测量台上不平整，易折皱；2、行业内没有专门针对燃料电池膜电极厚度测量的专业设备，大多数是利用市场上现有的测量检具，组装或者简易在连接在一起进行测量(多数使用的是将传感器固定标准测量座上测量)，稳定性和精准度都难以保证。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种不易造成膜电极弹性变形、稳定性和精确高的膜电极厚度检测装置；
本发明的第二个目的是提供利用上述膜电极厚度检测装置的检测方法。
技术方案：本发明所述的膜电极厚度检测装置，包括用于放置膜电极的样品台，位于所述样品台相对的两个方向上分别设有激光器，相对的激光器向膜电极的两个表面发射激光；所述样品台活动设置于运动导轨上随运动导轨而运动，所述运动导轨由控制系统控制。
其中，所述样品台相对的两个方向上的一组激光器处于同一竖直线上，使激光器发射的激光相对。
其中，所述运动导轨包括带动样品台沿X方向、Y方向移动的X向导轨、Y向导轨。
利用上述膜电极厚度检测装置的检测方法，包括以下步骤：
(1)将膜电极固定于样品台上；
(2)控制系统复位样品台位置，使样品台处于初始点；
(3)启动测试：控制系统控制运动导轨带动样品台运动，位于样品台相对的两个方向上的激光器开启，信息处理系统采集激光信息；
(4)测试结束后，从信息处理系统可以得知膜电极的各个取点处厚度情况。
其中，步骤(3)中，通过控制系统设置样品取点个数、样品取点距离、轨道移动距离。
其中，步骤(3)中，调整两个激光器的位置，使两个激光器发射的激光处于同一垂直线。
其中，步骤(3)中，所述运动导轨在X-Y两个方向上移动；运动导轨的移动速度为0.1～80m/min；
其中，所述X方向取点个数范围为1～50，Y方向取点个数范围为1～50。
其中，所述X-Y两个方向上取点之间间隔距离为0.2mm～50mm。
工作原理：通过一组激光器，其中激光器距离固定，运用激光测距原理，测出激光器和膜电极上下表面的距离，从而得到膜电极厚度。在膜电极上取若干点，得出膜电极上若干点的厚度，从而得到一个平均厚度。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、将激光测距技术引入膜电极生产线中，并且，本发明与常规的单侧激光测距不同，本发明双侧激光测距可以实现对膜电极表面全覆盖式的取点检测，确保膜电极生产过程中厚度检测的准确性；2、检测精度可达到0.1μm；3、相对于常规物理方法检测不会对膜电极结构造成破坏，测试后的膜电极依旧可以使用；4、本发明相对于常规物理方法操作方法简便，测试速度快。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2是本发明装置的原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
如图1、2所示，本发明提供一种膜电极厚度检测装置，包括用于放置膜电极的样品台1，位于样品台1相对的两个方向上分别设有激光器2，相对的激光器2向膜电极的两个表面发射激光；本实施例分别在样品台1的上下两个方向上各设有一个激光器2，上下一组激光器2处于同一竖直线上，使激光器2发射的激光相对；
样品台1活动设置于运动导轨上随运动导轨而运动，运动导轨由控制系统控制。本实施例的运动导轨固定于架体6表面上，运动导轨还可设置于实际生产线上；运动导轨包括带动样品台1沿X方向、Y方向移动的X向导轨3、Y向导轨4。X向导轨3沿架体6的一个长度方向上，Y向运动导轨沿架体6的一个宽度方向上，并且，X向导轨3、Y向导轨4均由电机5驱动，并受控制系统(图中未示出)控制。本申请的样品台1固定于X向导轨3上，电机5驱动样品台1沿X向导轨3移动，当需要沿Y向导轨4移动时，电机5带动X向导轨3及样品台1整体沿Y向导轨4移动。两个运动导轨由控制系统确定运动轨迹并由电机5进行拖动；两个激光器2与信息收集系统连接，由信息收集系统(图中未示出)可以得到所取各点处的厚度，从而得知整张膜电极的平均厚度。
为了测试此方法的可行性，预先在完整CCM膜上运用SEM技术测量CCM膜电极上不同位置处的厚度，得到整张CCM膜电极的平均厚度。并与此测试方法进行对比，确定此方法的准确性。
利用上述膜电极厚度检测装置检测厚度的方法，包括以下步骤：
步骤一、选取面积为5cm×5cm的CCM膜固定在样品台1上，其中CCM膜的催化剂为Pt/C，载量为0.3mg/cm2，质子交换膜厚为15μm；
步骤二、启动电源，复位样品台1所处位置，使样品台1处于初始点，保持样品台1上、下方的激光器2处于同一竖直线，激光器2测距基准为0；
步骤三、打开控制系统、信息处理系统，设置取点个数为25个，其中X方向为5个，Y方向为5个，每个测试点之间的距离为5mm；
步骤四、启动测试；等待测试结束后，从信息处理系统可以得知膜电极的各个取点处厚度情况，从而可以得出膜电极的平均厚度。
通过SEM测量出膜电极厚度为42.3μm，此方法测量出膜电极厚度为42.7μm，如表1所示，判定此方法切实可行，准确率较高。
表1实施例1所取各点厚度测量值(单位：μm)
| 41.5 | 41 | 42.1 | 41.8 | 42.3 |
| 42.1 | 42.3 | 42.6 | 42.8 | 41.8 |
| 42.1 | 42.3 | 43.1 | 43.1 | 41.8 |
| 44.1 | 44.9 | 44.6 | 44.9 | 43.8 |
| 43.6 | 42.3 | 42.1 | 41.5 | 41.8 |
由以上数据，可以得到此方法测出的膜电极厚度为42.7μm，而SEM测出的膜厚为42.3μm，其误差为0.4μm，此方法确实可行。
为了检测此方法的精度，我们测量了Nafion211膜的厚度。利用厚度检测装置，包括以下步骤：
步骤一、选取面积为5cm×5cm的Nafion211膜固定在样品台1上；
步骤二、启动电源，复位样品台1所处位置，使样品台1处于初始点，保持样品台1上、下方的激光器2处于同一竖直线，激光器2测距基准为0；
步骤三、打开控制系统、信息处理系统，设置取点个数为25个，其中X方向为5个，Y方向为5个，每个测试点之间的距离为5mm；
步骤四、启动测试；等待测试结束后，从信息处理系统可以得知Nafion211膜的各个取点处厚度情况，从而可以得出Nafion211膜的平均厚度。
表2 Nafion211膜所取各点厚度测量值(单位：μm)
| 24.9 | 24.8 | 24.7 | 24.9 | 24.6 |
| 25.1 | 25.0 | 24.7 | 24.9 | 24.6 |
| 25.5 | 25.1 | 24.9 | 24.9 | 24.9 |
| 25.4 | 25.4 | 24.9 | 24.9 | 25.0 |
| 25.2 | 25.1 | 25.2 | 25.0 | 25.2 |
由以上数据，可以得到此方法测出的Nafion211厚度为25.0μm，而Nafion211膜厚为25μm，其误差小于0.1μm，其误差非常小，此方法精度较高。
实施例2
利用实施例1中的膜电极厚度检测装置检测厚度的方法，包括以下步骤：
步骤一、选取面积为10cm×10cm的CCM膜固定在样品台1上，其中CCM膜的催化剂为Pt/C，载量为0.2mg/cm2，质子交换膜厚为8μm；
步骤二、启动电源，复位样品台1所处位置，使其处于初始点，保持激光器2处于同一竖直线，激光器2测距基准为0；
步骤三、打开控制系统，信息处理系统，设置取点个数为25个，其中X方向为5个，Y方向为5个，每个测试点之间的距离为5mm；
步骤四、启动测试，等待测试结束后，从信息处理系统可以得知膜电极的各个取点处厚度情况，以此可以得出膜电极的平均厚度。
步骤五、SEM测量出膜电极厚度为39.6μm，此方法测量出膜电极厚度为38.8μm，如表3所示，判定此方法切实可行，准确率较高。
表3实施例2所取各点厚度测量值(单位：μm)
| 38.7 | 39.8 | 39.5 | 39.2 | 37.7 |
| 38.5 | 37.4 | 37.4 | 38.5 | 39.2 |
| 38.5 | 38.7 | 38.7 | 38.7 | 38.7 |
| 39.8 | 41.0 | 40.5 | 40.0 | 38.5 |
| 38.5 | 36.7 | 36.9 | 38.5 | 39.8 |
由以上数据，可以得到此方法测出的膜电极厚度为38.8μm，而SEM测出的膜厚为39.6μm，其误差为0.8μm，误差小于1μm，此方法确实可行。
实施例3
利用实施例1中的膜电极厚度检测装置检测厚度的方法，包括以下步骤：
步骤一、选取面积为10cm×10cm的CCM膜固定在样品台1上，其中CCM膜的催化剂为Pt黑，载量为0.3mg/cm2，质子交换膜厚为15μm；
步骤二、启动电源，复位样品台1所处位置，使其处于初始点，保持激光器2处于同一竖直线，激光器2测距基准为0；
步骤三、打开控制系统，信息处理系统，设置取点个数为100个，其中X方向为10个，Y方向为10个，每个测试点之间的距离为2mm；
步骤四、启动测试，等待测试结束后，从信息处理系统可以得知膜电极的各个取点处厚度情况，以此可以得出膜电极的平均厚度。
步骤五、SEM测量出膜电极厚度为42.1μm，此方法测量出膜电极厚度为41.3μm，如表4所示，判定此方法切实可行，准确率较高。
表4实施例3所取各点厚度测量值(单位：μm)
| 41.8 | 40.8 | 40.8 | 40.8 | 41.3 | 41.5 | 41.8 | 41.5 | 40.8 | 40.0 |
| 41.5 | 41.8 | 42.3 | 42.3 | 41.8 | 41.3 | 41.3 | 42.1 | 41.0 | 40.5 |
| 41.8 | 42.1 | 42.8 | 42.3 | 42.1 | 41.8 | 41.3 | 40.3 | 40.0 | 40.3 |
| 42.8 | 42.6 | 43.1 | 43.1 | 43.6 | 42.8 | 42.6 | 42.6 | 42.3 | 41.5 |
| 42.6 | 41.5 | 41.0 | 41.3 | 42.3 | 42.6 | 44.1 | 44.1 | 43.6 | 42.1 |
| 41.8 | 41.5 | 42.3 | 42.6 | 41.8 | 40.5 | 38.2 | 40.0 | 38.5 | 41.3 |
| 41.5 | 41.5 | 41.3 | 40.8 | 42.8 | 42.8 | 44.4 | 42.6 | 43.6 | 41.5 |
| 40.3 | 40.5 | 40.3 | 40.3 | 40.3 | 40.0 | 41.0 | 41.5 | 41.0 | 41.8 |
| 40.5 | 40.0 | 40.8 | 41.3 | 41.3 | 41.3 | 41.3 | 41.5 | 42.3 | 42.6 |
| 37.4 | 37.2 | 37.2 | 38.7 | 38.2 | 39.0 | 38.2 | 37.7 | 38.0 | 41.0 |
由以上数据，可以得到此方法测出的膜电极厚度为41.3μm，而SEM测出的膜厚为42.1μm，其误差为0.8μm，误差小于1μm，此方法确实可行。
实施例4
利用实施例1中的膜电极厚度检测装置检测厚度的方法，包括以下步骤：
步骤一、选取面积为5cm×5cm的CCM膜固定在样品台1上，其中CCM膜的催化剂为Pt黑，载量为0.2mg/cm2，质子交换膜厚为8μm；
步骤二、启动电源，复位样品台1所处位置，使其处于初始点，保持激光器2处于同一竖直线，激光器2测距基准为0；
步骤三、打开控制系统，信息处理系统，设置取点个数为100个，其中X方向为10个，Y方向为10个，每个测试点之间的距离为2mm；
步骤四、启动测试，等待测试结束后，从信息处理系统可以得知膜电极的各个取点处厚度情况，以此可以得出膜电极的平均厚度。
步骤五、SEM测量出膜电极厚度为38.6μm，此方法测量出膜电极厚度为38.8μm，如表5所示，判定此方法切实可行，准确率较高。
表5实施例4所取各点厚度测量值(单位：μm)
| 38.5 | 38.5 | 38.7 | 39.0 | 39.8 | 39.8 | 39.5 | 39.0 | 39.0 | 39.5 |
| 37.7 | 37.4 | 37.4 | 38.7 | 39.8 | 39.5 | 38.7 | 38.2 | 39.0 | 39.5 |
| 39.0 | 40.3 | 40.3 | 39.5 | 39.8 | 39.5 | 40.3 | 40.0 | 40.0 | 39.0 |
| 40.8 | 40.0 | 39.8 | 38.5 | 39.0 | 39.0 | 40.5 | 40.5 | 39.8 | 38.7 |
| 38.7 | 38.0 | 37.7 | 39.5 | 39.8 | 41.3 | 40.8 | 40.3 | 38.2 | 38.7 |
| 38.2 | 38.0 | 36.2 | 36.2 | 36.7 | 38.7 | 39.5 | 40.0 | 40.5 | 39.5 |
| 38.5 | 38.7 | 39.2 | 38.2 | 38.0 | 37.7 | 38.7 | 39.5 | 40.3 | 40.3 |
| 37.7 | 39.0 | 39.2 | 39.2 | 39.5 | 39.2 | 39.2 | 38.7 | 39.0 | 40.0 |
| 37.4 | 36.4 | 36.2 | 36.4 | 35.9 | 36.2 | 35.4 | 38.2 | 39.2 | 40.5 |
| 34.6 | 34.9 | 36.4 | 38.0 | 38.2 | 38.5 | 38.5 | 39.0 | 39.0 | 39.2 |
由以上数据，可以得到此方法测出的膜电极厚度为38.8μm，而SEM测出的膜厚为38.6μm，其误差为0.2μm，误差小于1μm，此方法确实可行。
Claims (9)
1.一种膜电极厚度检测装置，其特征在于，包括用于放置膜电极的样品台(1)，位于所述样品台(1)相对的两个方向上分别设有激光器(2)，相对的激光器(2)向膜电极的两个表面发射激光；所述样品台(1)活动设置于运动导轨上随运动导轨而运动，所述运动导轨由控制系统控制。
2.根据权利要求1所述的膜电极厚度检测装置，其特征在于，所述样品台(1)相对的两个方向上的一组激光器(2)处于同一竖直线上，使激光器(2)发射的激光相对。
3.根据权利要求1所述的膜电极厚度检测装置，其特征在于，所述运动导轨包括带动样品台(1)沿X方向、Y方向移动的X向导轨(3)、Y向导轨(4)。
4.一种利用权利要求1所述膜电极厚度检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)将膜电极固定于样品台(1)上；
(B)控制系统复位样品台(1)位置，使样品台(1)处于初始点；
(C)启动测试：控制系统控制运动导轨带动样品台(1)运动，位于样品台(1)相对的两个方向上的激光器(2)开启，信息处理系统采集激光信息；
(D)测试结束后，从信息处理系统可以得知膜电极的各个取点处厚度情况。
5.根据权利要求4所述利用膜电极厚度检测装置的检测方法，其特征在于，步骤(C)中，通过控制系统设置样品取点个数、样品取点距离、轨道移动距离。
6.根据权利要求4所述利用膜电极厚度检测装置的检测方法，其特征在于，步骤(C)中，调整两个激光器(2)的位置，使两个激光器(2)发射的激光处于同一垂直线。
7.根据权利要求4所述利用膜电极厚度检测装置的检测方法，其特征在于，步骤(C)中，所述运动导轨在X-Y两个方向上移动。
8.根据权利要求7所述利用膜电极厚度检测装置的检测方法，其特征在于，所述X方向取点个数范围为1～50，Y方向取点个数范围为1～50。
9.根据权利要求7所述利用膜电极厚度检测装置的检测方法，其特征在于，所述X-Y两个方向上取点之间间隔距离为0.2mm～50mm。
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