专利名称：检测燃料电池堆部件中的针孔的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测燃料电池堆部件中的针孔(pin hole)的系统。更特别涉及一种精确检测燃料电池堆部件中的针孔的存在以保证燃料电池堆质量的装置和方法。
背景技术：
燃料电池堆通常是由上百个5层膜电极组件和金属(或石墨)隔膜交替堆叠而成，该5层膜电极组件具有在3层膜电极组件两侧的气体扩散层。特别地，在制造燃料电池堆之前，膜电极组件(MEA)和气体扩散层结合在一起形成5层结构，以提高燃料电池堆的生产率。在此，构成气体扩散层的碳纤维可能穿孔或者渗透膜电极组件(MEA)的聚合物电解液膜层，例如在上述穿孔或渗透的部分可能形成针孔。 这种情况的隔膜，在用于制备单个产品的压制过程中极可能会形成针孔。而且，在燃料电池堆中，当全部的聚合物电解液膜的劣化不一致时，在劣化的部分可能会形成针孔，因而会损坏相应的电池并终结整个燃料电池堆的使用期限。因此，在制造燃料电池堆中使用有针孔的部件时，燃料电池堆的性能输出和耐久性会受到很大的影响。因而，当装备有燃料电池堆的燃料电池车辆运行时，数百个膜电极组件和/或隔膜之一中形成有针孔时，车辆停止工作。因此，在制造和组装燃料电池堆之前， 有必要检查每一部件上是否存在针孔。作为现有技术中用来检测针孔的传统技术的一个例子，韩国专利第10-0053351 中披露一种用来检测孔洞的光学装置，其中将光电接收器布置在激光扫描仪的同侧，接收从扫描线反射的光。利用与第一扫描线平行的扫描线，第二激光扫描仪也布置在网(web) 前的有限空间(即A)内，从相反侧的第一激光扫描仪到该网，并扫描有限空间A中网的另一侧。另一线性光电接收器平行于第二扫描线延伸，并且在接收到从第二扫描线反射的光之后发射电信号给电子处理电路。从两个光电接收器传送给电子处理电路的电信号，与存储第一接收信号的中间存储装置进行联系。然后，在两个光接收器的网的相同位置产生相同的信号时，传送针孔信号。然而，上面的装置不能测量多层膜燃料堆的部件，因为它只能用于单层网。因此， 在利用激光扫描仪和光接收器来检测部件时具有一定的局限性，因为在作为燃料电池堆的一个部件具有多层结构的多孔的3层或5层膜电极组件或隔膜中产生的针孔的形状，不是线性的。而且，不可能通过传送辊型物体将上述装置施加到燃料电池堆的部件上，例如作为燃料电池堆一部分的MEAs (三层或者五层的)和隔膜，不能通过偏置滚筒连续传输，因为它们需要以四边形片型的一定角度的平面，因此，燃料电池的部件在滚动中被损坏。韩国专利第10-0878400中具有另一个相关技术的例子，其中披露一种针孔检测器，其中光线沿Z轴方向穿过针孔，与光检测器结合。由于噪声光线的行进方向，除了通过针孔之外的光线，都相对于Z轴倾斜，噪声光线与光检测器的会合，受到限制入射角度的第一和第二光学装置的限制。
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然而，该装置不能测量多层燃料电池堆的部件，因为它只适用于金属或树脂膜。也就是说，在通过光学扫描和光接收器测量部件上具有一定的局限，因为在作为燃料电池部件的具有有多层结构的多孔的3层或者5层MEA或隔膜中所产生的针孔的形状，不具有任何线性度。作为另外一个例子，韩国专利申请第10-2002-0084521号中公开一种针孔检测器，检测在例如铁板等薄板材料上的针孔，并包括产生具有单个波长的激光直线束的激光源，将来自激光源的直线光束转换成平行光的第一柱面透镜，收集平行光的第二柱面透镜， 布置在第二柱面透镜焦点上的APD (雪崩光电二极管)传感器，和基于APD传感器的输出确定针孔出现的信号处理器。然而，该装置仅能应用于单层金属，而不能应用于诸如多层燃料电池堆的部件。在作为燃料电池堆部件而具有多层结构的多孔3层或5层的MEA或隔膜中产生的针孔并不总是线性的，因此，使用激光直线束和APD传感器的测试具有局限性。上面的信息所公开的背景技术部分仅是为了进一步理解本发明的背景，因此，它可能包含一些不构成本国家的本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种用于检测燃料电池堆(即它的元件和部件)的针孔的系统，通过使用X射线装置和视觉系统检查每个燃料电池堆部件(例如对燃料电池堆的质量具有很大影响的部件)，以确定每个部件中的针孔的存在，从而确保燃料电池堆的质量，并避免使用有缺陷的部件。一方面，本发明提供一种用于在燃料电池堆的一个或多个部件中检测针孔的系统。具体来说，该系统包括X射线装置和视觉计算系统。X射线装置拍摄燃料电池的部件。 然后，图像处理器产生由X射线装置输出的图像信号。该生成的图像信号然后被发送/传送给视觉计算机，以通过选择性地接收和分析由图像处理器所形成的图像信号来确定相应部件是正常还是有缺陷的。视觉计算系统然后累积和计算图像确定结果来管理与燃料电池堆有关的质量数据，以及将拍摄控制用的输出指令传送给X射线装置。有利的是，与现有的发现针孔的光学检测不同，现有的能力仅局限于检测在燃料电池堆的膜电极组件和隔膜中出现的针孔，本发明通过借助X射线和视觉系统进行的非破坏性检测能精确地检测每个部件中出现的针孔，并且还可以通过使用图像更精确地检查针孔。由于在本发明中X射线拍摄和信号的数字图像分析所花费的时间少于一秒，因而本发明能够实现高速检测，检测每个部件包括传送时间在内少于10秒。
下面将参照附图所示的某些示例性实施方式对本发明的上述和其它特征进行详细描述，下文所给的这些示例性实施方式仅仅是为了说明目的，而并不是对本发明的限制， 其中，图1为控制框图，示出了根据本发明的一个示意性实施方式用于检测燃料电池堆部件中的针孔的系统；以及图2是通过本发明的测试所观察到的针孔的图像。
应当理解，所附的图未必成比例，而是对本发明基本原理的各优选特征的图示作了某种程度的简化表示。在此公开的本发明的具体设计特征，包括例如具体的尺寸、方向、 位置和形状，在某种程度上由特定的预期应用和使用环境来决定。在图中，在所有附图的不同图中，附图标记表示本发明的相同或等同的部件。
具体实施例方式下面将参考在附图中示出并且在下文中将描述的本发明的多个实施方式。尽管将结合具体实施方式
来描述本发明，然而应该理解这些描述并不意图将本发明限制在这些实施方式上。相反地，本发明意在不仅涵盖这些实施方式，而且还包括由权利要求所限定的本发明的精神和范围内所包含的各种替换、修改、等同替代和其它实施方式。实施例下面的实施例用于阐明本发明，并不意图用来限制本发明。下文将参考附图详细描述本发明的实施方式。本发明提供一种X射线装置和视觉系统相结合以检测燃料电池堆的部件(特别是聚合物电解液膜，催化剂层，和构成5层膜电极组件的气体扩散层)中的针孔的存在的检测技术。在该结构中，本发明的针孔检测系统，如图1所示，包括-X射线装置10，图像处理单元20和视觉计算系统30。X射线装置10拍摄燃料电池堆的部件(特别是5层膜电极组件)，图像处理器20产生从X射线装置10输出的图像信号。视觉计算系统(计算机)30通过由图像处理器20选择性地接收和分析图像信号来确定相应的部件是处于正常状态还是有缺陷的。然后单独的主计算机49在接收到来自视觉计算系统30的结果之后，积累并计算图像检测结果，以管理与燃料电池堆的部件的质量有关的数据。然后拍摄控制用的输出指令被传送给X射线装置10，其中视觉计算机30，不是主计算机，还可以传送X射线装置10 的拍摄控制用的输出指令。X射线装置10包括X射线源；能够通过去除拍摄燃料电池的部件时的噪声来提高图片清晰度的能量滤波器，和检测图像信号形式的所拍摄图像的高分辨率图像检测器。X射线源可以利用例如在大约2_160keV范围内的光子能量，和由Μι，Cr，Cu，或W 之一制成的窗口(例如靶窗口)，用作放置燃料电池的部件的靶。示例地，在本发明的某些实施方式中，窗口由在例如大约5-60keV范围内的轻微(light)X射线区域中具有低吸收率的Be制成。在此结构中，在X射线源的辐射管中，通过将真空水平保持在例如约10_7托或更�。⒔钚〗咕嗟髡鸡�. ο μ m或更大，作为X射线装置10的拍摄条件来进行X射线拍摄，以使空气的吸收和散射作用最小化。高分辨的图像检测器可以具有例如约1 μ m或更大的像素分辨率，并能够通过处于波带片的后焦平面中的相环以相衬模式操作，这样更容易控制使X射线透过的图像(the image transmitting the X-ray)的对比度，其中所述波带片被包含在高分辨率图像检测器内。而且，视觉计算系统30包括记忆单元，存储燃料电池堆的部件的正常状态的参考信息；输入单元，由图像处理器20获得的图像信号被输入；以及图像分析单元，分析通过输入单元输入的数字图像信号。视觉计算系统30还可以包括比较单元，通过对图像分析单元的图像分析结果与存储在记忆单元的参考信息进行比较来确定是否正常或有缺陷；以及通信单元，将比较单元确定的结果传送给主计算机。特别地，对数字图像信号进行分析的图像分析单元还可以包括对比度、亮度、模式匹配、轮廓匹配、位置、宽度和计数功能。此外，主计算机49包括输入单元，由视觉计算系统30的比较单元确定得到的结果在此被输入；管理单元，通过积累和计算图像检测结果来管理燃料电池堆的部件的质量数据；以及拍摄装置控制单元，将操作信号输出给X射线装置10。下文将描述使用本发明检测针孔的系统来检测燃料电池部件的针孔的具体实施方式
。首先，为燃料电池提供一个5层膜电极组件(MEA)，它包括萘酚基氟聚合物 (nafion-based fluorine)电解液膜；结合于上述膜的两侧的Pt/C催化剂；以及由结合至催化剂层的碳纸(carbon paper)制成的气体扩散层(⑶L)。在制作5层膜电极组件的过程中，该5层膜电极组件通过以下方式来制作，即使用激光在膜(MEA)上随机形成例如几微米的针孔；在具有针孔的膜的两侧形成催化剂；然后将气体扩散层(GDL)热压到催化剂的外表面上。接着，将如上所述形成的燃料电池的5层膜电极组件(MEA)通过具有X射线源(例如50keV，靶由W制成)的X射线装置10进行X射线照射。在本发明的示例性实施方式中，当图像信号通过X射线装置10获得时，之后该图像信号通过图像处理器20成像，并且由图像处理器20成像的图像信号由视觉计算系统30 进行分析，从而确定该5层MEA部件是正常还是有缺陷的。然后将确定的结果存储在主计算机49中以管理燃料电池堆的部件的质量数据。因此，当通过视觉计算机30检测到5层膜电极MEA有缺陷的结果时，如图2的图像所示，通过X射线装置可以看出，在燃料电池的5层MEA的电解液膜中产生一个例如约8 μ m 的针孔。此外，本发明可以被具体化为由处理器执行的包含可执行程序指令的计算机可读媒介上的计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括，但不局限于，ROM、RAM、光盘 (⑶)-ROM、磁带、软盘和其它光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在网络互连的计算机系统中，以使计算机可读介质以分布的方式被存储和执行。 上面已经参照其优选实施方式对本发明进行了详细描述。然而，本领域技术人员应当理解，在没有脱离本发明原则和精神的情况下可以对这些具体实施方式
作出修改，本发明的范围由所附的权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种用于检测燃料电池堆部件中的针孔的系统，包括 X射线装置，拍摄燃料电池堆的部件；图像处理器，生成从所述X射线装置输出的图像信号；以及视觉计算系统，(i)通过选择性地接收和分析来自所述图像处理器的所述图像信号，来确定相应部件是正常的还是有缺陷的；(ii)积累和计算图像确定结果来管理燃料电池堆的质量数据；以及(iii)将拍摄控制用的输出指令传送给所述X射线装置。
2.如权利要求1所述的系统，还包括单独的主计算机，其通过接收来自所述视觉计算系统的结果来积累和计算所述图像确定结果以管理燃料电池堆的部件的质量数据；以及将拍摄控制用的输出指令传送给所述X射线装置。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述X射线装置包括X射线源；能量滤波器，通过去除拍摄中的噪声来提高图像清晰度；以及高分辨率图像检测器，检测图像信号形式的所拍摄图像。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述X射线源利用处于2-160keV范围内的光子能； 由1 ，Cr，Cu和W之一制成的作为靶的窗口 ；以及5-60keV范围内的轻微X射线区域中所使用的具有低吸收率的Be所制成的窗口。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述X射线拍摄是通过在X射线源的辐射管中将真空度保持在10_7托或更低并将最小焦距调整为1. 0 μ m或更大来执行，以使空气的吸收和散射最小化。
6.如权利要求3所述的系统，其中所述高分辨率图像检测器具有1μ m或更大的像素分辨率，而且通过波带片的后焦平面中的相环以相衬模式操作来控制使X射线透过的图像的对比度。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述视觉计算机包括 记忆单元，存储燃料电池堆的部件的正常状态的参考信息；输入所述图像处理器获得的图像信号的输入单元，和对通过所述输入单元输入的数字图像信号进行分析的图像分析单元；比较单元，通过对来自所述图像分析单元的图像分析结果与存储在所述记忆单元中的参考信息进行比较来确定是正常还是有缺陷；以及通信单元，将由所述比较单元确定的结果传送给所述主计算机。
8.如权利要求7所述的系统，其中对来自所述视觉计算机的数字图像信号进行分析的图像分析单元包括对比度、亮度、模式匹配、轮廓匹配、位置、宽度和计数的功能。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述主计算机包括输入由所述视觉计算机的所述比较单元确定的结果的输入单元； 管理单元，通过积累和计算所述图像检测结果来管理燃料电池堆中的部件的质量数据；以及拍摄装置控制单元，将操作信号输出给所述X射线装置。
10.一种用于检测燃料电池堆部件中的针孔的方法，包括 通过X射线装置对燃料电池堆的一个或多个部件进行拍摄； 由图像处理器产生从所述X射线装置输出的图像信号；通过选择性地接收和分析来自所述图像处理器的图像信号，由视觉计算系统确定相应部件是正常还是有缺陷；通过所述视觉计算系统积累和计算图像确定结果来管理燃料电池堆的质量数据；以及将拍摄控制用的输出指令传送给所述X射线装置。
11. 一种包含由处理器执行的可执行程序指令的非短暂计算机可读介质，包括 通过X射线装置对燃料电池堆的一个或多个部件进行拍摄的程序指令； 由图像处理器产生从所述X射线装置输出的图像信号的程序指令； 通过选择性地接收和分析来自所述图像处理器的图像信号，由视觉计算系统确定相应部件是正常还是有缺陷的程序指令；通过所述视觉计算系统积累和计算图像确定结果来管理燃料电池堆的质量数据的程序指令；以及将拍摄控制用的输出指令传送给所述X射线装置的程序指令。
全文摘要
本发明涉及一种检测燃料电池堆部件中的针孔的系统，以便精确地检测燃料电池堆部件中针孔的存在，从而确保燃料电池堆的质量。也就是说，本发明提供一种检测燃料电池堆的部件中的针孔的系统，通过使用X射线装置和视觉系统来检测对燃料电池堆的质量具有极大影响的燃料电池堆的每一部件以确定部件中的针孔的存在，从而确保燃料电池堆的质量并避免使用有缺陷的部件，以及用于检测燃料电池堆的部件中的针孔的方法。
文档编号G01N21/894GK102486464SQ20111019527
公开日2012年6月6日 申请日期2011年5月31日 优先权日2010年12月2日
发明者安商悦, 安炳琪, 李根提, 李盛根, 林泰源 申请人:现代自动车株式会社, 起亚自动车株式会社
专业数控铣床产品供应商
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