專利名稱：檢測燃料電池堆部件中的針孔的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測燃料電池堆部件中的針孔(pin hole)的系統(tǒng)。更特別涉及一種精確檢測燃料電池堆部件中的針孔的存在以保證燃料電池堆質(zhì)量的裝置和方法。
背景技術(shù)：
燃料電池堆通常是由上百個5層膜電極組件和金屬(或石墨)隔膜交替堆疊而成，該5層膜電極組件具有在3層膜電極組件兩側(cè)的氣體擴散層。特別地，在制造燃料電池堆之前，膜電極組件(MEA)和氣體擴散層結(jié)合在一起形成5層結(jié)構(gòu)，以提高燃料電池堆的生產(chǎn)率。在此，構(gòu)成氣體擴散層的碳纖維可能穿孔或者滲透膜電極組件(MEA)的聚合物電解液膜層，例如在上述穿孔或滲透的部分可能形成針孔。 這種情況的隔膜，在用于制備單個產(chǎn)品的壓制過程中極可能會形成針孔。而且，在燃料電池堆中，當(dāng)全部的聚合物電解液膜的劣化不一致時，在劣化的部分可能會形成針孔，因而會損壞相應(yīng)的電池并終結(jié)整個燃料電池堆的使用期限。因此，在制造燃料電池堆中使用有針孔的部件時，燃料電池堆的性能輸出和耐久性會受到很大的影響。因而，當(dāng)裝備有燃料電池堆的燃料電池車輛運行時，數(shù)百個膜電極組件和/或隔膜之一中形成有針孔時，車輛停止工作。因此，在制造和組裝燃料電池堆之前， 有必要檢查每一部件上是否存在針孔。作為現(xiàn)有技術(shù)中用來檢測針孔的傳統(tǒng)技術(shù)的一個例子，韓國專利第10-0053351 中披露一種用來檢測孔洞的光學(xué)裝置，其中將光電接收器布置在激光掃描儀的同側(cè)，接收從掃描線反射的光。利用與第一掃描線平行的掃描線，第二激光掃描儀也布置在網(wǎng)(web) 前的有限空間(即A)內(nèi)，從相反側(cè)的第一激光掃描儀到該網(wǎng)，并掃描有限空間A中網(wǎng)的另一側(cè)。另一線性光電接收器平行于第二掃描線延伸，并且在接收到從第二掃描線反射的光之后發(fā)射電信號給電子處理電路。從兩個光電接收器傳送給電子處理電路的電信號，與存儲第一接收信號的中間存儲裝置進行聯(lián)系。然后，在兩個光接收器的網(wǎng)的相同位置產(chǎn)生相同的信號時，傳送針孔信號。然而，上面的裝置不能測量多層膜燃料堆的部件，因為它只能用于單層網(wǎng)。因此， 在利用激光掃描儀和光接收器來檢測部件時具有一定的局限性，因為在作為燃料電池堆的一個部件具有多層結(jié)構(gòu)的多孔的3層或5層膜電極組件或隔膜中產(chǎn)生的針孔的形狀，不是線性的。而且，不可能通過傳送輥型物體將上述裝置施加到燃料電池堆的部件上，例如作為燃料電池堆一部分的MEAs (三層或者五層的)和隔膜，不能通過偏置滾筒連續(xù)傳輸，因為它們需要以四邊形片型的一定角度的平面，因此，燃料電池的部件在滾動中被損壞。韓國專利第10-0878400中具有另一個相關(guān)技術(shù)的例子，其中披露一種針孔檢測器，其中光線沿Z軸方向穿過針孔，與光檢測器結(jié)合。由于噪聲光線的行進方向，除了通過針孔之外的光線，都相對于Z軸傾斜，噪聲光線與光檢測器的會合，受到限制入射角度的第一和第二光學(xué)裝置的限制。
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然而，該裝置不能測量多層燃料電池堆的部件，因為它只適用于金屬或樹脂膜。也就是說，在通過光學(xué)掃描和光接收器測量部件上具有一定的局限，因為在作為燃料電池部件的具有有多層結(jié)構(gòu)的多孔的3層或者5層MEA或隔膜中所產(chǎn)生的針孔的形狀，不具有任何線性度。作為另外一個例子，韓國專利申請第10-2002-0084521號中公開一種針孔檢測器，檢測在例如鐵板等薄板材料上的針孔，并包括產(chǎn)生具有單個波長的激光直線束的激光源，將來自激光源的直線光束轉(zhuǎn)換成平行光的第一柱面透鏡，收集平行光的第二柱面透鏡， 布置在第二柱面透鏡焦點上的APD (雪崩光電二極管)傳感器，和基于APD傳感器的輸出確定針孔出現(xiàn)的信號處理器。然而，該裝置僅能應(yīng)用于單層金屬，而不能應(yīng)用于諸如多層燃料電池堆的部件。在作為燃料電池堆部件而具有多層結(jié)構(gòu)的多孔3層或5層的MEA或隔膜中產(chǎn)生的針孔并不總是線性的，因此，使用激光直線束和APD傳感器的測試具有局限性。上面的信息所公開的背景技術(shù)部分僅是為了進一步理解本發(fā)明的背景，因此，它可能包含一些不構(gòu)成本國家的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于檢測燃料電池堆(即它的元件和部件)的針孔的系統(tǒng)，通過使用X射線裝置和視覺系統(tǒng)檢查每個燃料電池堆部件(例如對燃料電池堆的質(zhì)量具有很大影響的部件)，以確定每個部件中的針孔的存在，從而確保燃料電池堆的質(zhì)量，并避免使用有缺陷的部件。一方面，本發(fā)明提供一種用于在燃料電池堆的一個或多個部件中檢測針孔的系統(tǒng)。具體來說，該系統(tǒng)包括X射線裝置和視覺計算系統(tǒng)。X射線裝置拍攝燃料電池的部件。 然后，圖像處理器產(chǎn)生由X射線裝置輸出的圖像信號。該生成的圖像信號然后被發(fā)送/傳送給視覺計算機，以通過選擇性地接收和分析由圖像處理器所形成的圖像信號來確定相應(yīng)部件是正常還是有缺陷的。視覺計算系統(tǒng)然后累積和計算圖像確定結(jié)果來管理與燃料電池堆有關(guān)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，以及將拍攝控制用的輸出指令傳送給X射線裝置。有利的是，與現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)針孔的光學(xué)檢測不同，現(xiàn)有的能力僅局限于檢測在燃料電池堆的膜電極組件和隔膜中出現(xiàn)的針孔，本發(fā)明通過借助X射線和視覺系統(tǒng)進行的非破壞性檢測能精確地檢測每個部件中出現(xiàn)的針孔，并且還可以通過使用圖像更精確地檢查針孔。由于在本發(fā)明中X射線拍攝和信號的數(shù)字圖像分析所花費的時間少于一秒，因而本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高速檢測，檢測每個部件包括傳送時間在內(nèi)少于10秒。


下面將參照附圖所示的某些示例性實施方式對本發(fā)明的上述和其它特征進行詳細(xì)描述，下文所給的這些示例性實施方式僅僅是為了說明目的，而并不是對本發(fā)明的限制， 其中，圖1為控制框圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個示意性實施方式用于檢測燃料電池堆部件中的針孔的系統(tǒng)；以及圖2是通過本發(fā)明的測試所觀察到的針孔的圖像。
應(yīng)當(dāng)理解，所附的圖未必成比例，而是對本發(fā)明基本原理的各優(yōu)選特征的圖示作了某種程度的簡化表示。在此公開的本發(fā)明的具體設(shè)計特征，包括例如具體的尺寸、方向、 位置和形狀，在某種程度上由特定的預(yù)期應(yīng)用和使用環(huán)境來決定。在圖中，在所有附圖的不同圖中，附圖標(biāo)記表示本發(fā)明的相同或等同的部件。
具體實施例方式下面將參考在附圖中示出并且在下文中將描述的本發(fā)明的多個實施方式。盡管將結(jié)合具體實施方式
來描述本發(fā)明，然而應(yīng)該理解這些描述并不意圖將本發(fā)明限制在這些實施方式上。相反地，本發(fā)明意在不僅涵蓋這些實施方式，而且還包括由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)所包含的各種替換、修改、等同替代和其它實施方式。實施例下面的實施例用于闡明本發(fā)明，并不意圖用來限制本發(fā)明。下文將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方式。本發(fā)明提供一種X射線裝置和視覺系統(tǒng)相結(jié)合以檢測燃料電池堆的部件(特別是聚合物電解液膜，催化劑層，和構(gòu)成5層膜電極組件的氣體擴散層)中的針孔的存在的檢測技術(shù)。在該結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明的針孔檢測系統(tǒng)，如圖1所示，包括-X射線裝置10，圖像處理單元20和視覺計算系統(tǒng)30。X射線裝置10拍攝燃料電池堆的部件(特別是5層膜電極組件)，圖像處理器20產(chǎn)生從X射線裝置10輸出的圖像信號。視覺計算系統(tǒng)(計算機)30通過由圖像處理器20選擇性地接收和分析圖像信號來確定相應(yīng)的部件是處于正常狀態(tài)還是有缺陷的。然后單獨的主計算機49在接收到來自視覺計算系統(tǒng)30的結(jié)果之后，積累并計算圖像檢測結(jié)果，以管理與燃料電池堆的部件的質(zhì)量有關(guān)的數(shù)據(jù)。然后拍攝控制用的輸出指令被傳送給X射線裝置10，其中視覺計算機30，不是主計算機，還可以傳送X射線裝置10 的拍攝控制用的輸出指令。X射線裝置10包括X射線源；能夠通過去除拍攝燃料電池的部件時的噪聲來提高圖片清晰度的能量濾波器，和檢測圖像信號形式的所拍攝圖像的高分辨率圖像檢測器。X射線源可以利用例如在大約2_160keV范圍內(nèi)的光子能量，和由Μι，Cr，Cu，或W 之一制成的窗口(例如靶窗口)，用作放置燃料電池的部件的靶。示例地，在本發(fā)明的某些實施方式中，窗口由在例如大約5-60keV范圍內(nèi)的輕微(light)X射線區(qū)域中具有低吸收率的Be制成。在此結(jié)構(gòu)中，在X射線源的輻射管中，通過將真空水平保持在例如約10_7托或更小，并將最小焦距調(diào)整為約ι. ο μ m或更大，作為X射線裝置10的拍攝條件來進行X射線拍攝，以使空氣的吸收和散射作用最小化。高分辨的圖像檢測器可以具有例如約1 μ m或更大的像素分辨率，并能夠通過處于波帶片的后焦平面中的相環(huán)以相襯模式操作，這樣更容易控制使X射線透過的圖像(the image transmitting the X-ray)的對比度，其中所述波帶片被包含在高分辨率圖像檢測器內(nèi)。而且，視覺計算系統(tǒng)30包括記憶單元，存儲燃料電池堆的部件的正常狀態(tài)的參考信息；輸入單元，由圖像處理器20獲得的圖像信號被輸入；以及圖像分析單元，分析通過輸入單元輸入的數(shù)字圖像信號。視覺計算系統(tǒng)30還可以包括比較單元，通過對圖像分析單元的圖像分析結(jié)果與存儲在記憶單元的參考信息進行比較來確定是否正?；蛴腥毕?；以及通信單元，將比較單元確定的結(jié)果傳送給主計算機。特別地，對數(shù)字圖像信號進行分析的圖像分析單元還可以包括對比度、亮度、模式匹配、輪廓匹配、位置、寬度和計數(shù)功能。此外，主計算機49包括輸入單元，由視覺計算系統(tǒng)30的比較單元確定得到的結(jié)果在此被輸入；管理單元，通過積累和計算圖像檢測結(jié)果來管理燃料電池堆的部件的質(zhì)量數(shù)據(jù)；以及拍攝裝置控制單元，將操作信號輸出給X射線裝置10。下文將描述使用本發(fā)明檢測針孔的系統(tǒng)來檢測燃料電池部件的針孔的具體實施方式
。首先，為燃料電池提供一個5層膜電極組件(MEA)，它包括萘酚基氟聚合物 (nafion-based fluorine)電解液膜；結(jié)合于上述膜的兩側(cè)的Pt/C催化劑；以及由結(jié)合至催化劑層的碳紙(carbon paper)制成的氣體擴散層(⑶L)。在制作5層膜電極組件的過程中，該5層膜電極組件通過以下方式來制作，即使用激光在膜(MEA)上隨機形成例如幾微米的針孔；在具有針孔的膜的兩側(cè)形成催化劑；然后將氣體擴散層(GDL)熱壓到催化劑的外表面上。接著，將如上所述形成的燃料電池的5層膜電極組件(MEA)通過具有X射線源(例如50keV，靶由W制成)的X射線裝置10進行X射線照射。在本發(fā)明的示例性實施方式中，當(dāng)圖像信號通過X射線裝置10獲得時，之后該圖像信號通過圖像處理器20成像，并且由圖像處理器20成像的圖像信號由視覺計算系統(tǒng)30 進行分析，從而確定該5層MEA部件是正常還是有缺陷的。然后將確定的結(jié)果存儲在主計算機49中以管理燃料電池堆的部件的質(zhì)量數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)通過視覺計算機30檢測到5層膜電極MEA有缺陷的結(jié)果時，如圖2的圖像所示，通過X射線裝置可以看出，在燃料電池的5層MEA的電解液膜中產(chǎn)生一個例如約8 μ m 的針孔。此外，本發(fā)明可以被具體化為由處理器執(zhí)行的包含可執(zhí)行程序指令的計算機可讀媒介上的計算機可讀介質(zhì)。計算機可讀介質(zhì)的實例包括，但不局限于，ROM、RAM、光盤 (⑶)-ROM、磁帶、軟盤和其它光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置。計算機可讀記錄介質(zhì)還可以分布在網(wǎng)絡(luò)互連的計算機系統(tǒng)中，以使計算機可讀介質(zhì)以分布的方式被存儲和執(zhí)行。 上面已經(jīng)參照其優(yōu)選實施方式對本發(fā)明進行了詳細(xì)描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在沒有脫離本發(fā)明原則和精神的情況下可以對這些具體實施方式
作出修改，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測燃料電池堆部件中的針孔的系統(tǒng)，包括 X射線裝置，拍攝燃料電池堆的部件；圖像處理器，生成從所述X射線裝置輸出的圖像信號；以及視覺計算系統(tǒng)，(i)通過選擇性地接收和分析來自所述圖像處理器的所述圖像信號，來確定相應(yīng)部件是正常的還是有缺陷的；(ii)積累和計算圖像確定結(jié)果來管理燃料電池堆的質(zhì)量數(shù)據(jù)；以及(iii)將拍攝控制用的輸出指令傳送給所述X射線裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括單獨的主計算機，其通過接收來自所述視覺計算系統(tǒng)的結(jié)果來積累和計算所述圖像確定結(jié)果以管理燃料電池堆的部件的質(zhì)量數(shù)據(jù)；以及將拍攝控制用的輸出指令傳送給所述X射線裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述X射線裝置包括X射線源；能量濾波器，通過去除拍攝中的噪聲來提高圖像清晰度；以及高分辨率圖像檢測器，檢測圖像信號形式的所拍攝圖像。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述X射線源利用處于2-160keV范圍內(nèi)的光子能； 由1 ，Cr，Cu和W之一制成的作為靶的窗口 ；以及5-60keV范圍內(nèi)的輕微X射線區(qū)域中所使用的具有低吸收率的Be所制成的窗口。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述X射線拍攝是通過在X射線源的輻射管中將真空度保持在10_7托或更低并將最小焦距調(diào)整為1. 0 μ m或更大來執(zhí)行，以使空氣的吸收和散射最小化。
6.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述高分辨率圖像檢測器具有1μ m或更大的像素分辨率，而且通過波帶片的后焦平面中的相環(huán)以相襯模式操作來控制使X射線透過的圖像的對比度。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述視覺計算機包括 記憶單元，存儲燃料電池堆的部件的正常狀態(tài)的參考信息；輸入所述圖像處理器獲得的圖像信號的輸入單元，和對通過所述輸入單元輸入的數(shù)字圖像信號進行分析的圖像分析單元；比較單元，通過對來自所述圖像分析單元的圖像分析結(jié)果與存儲在所述記憶單元中的參考信息進行比較來確定是正常還是有缺陷；以及通信單元，將由所述比較單元確定的結(jié)果傳送給所述主計算機。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中對來自所述視覺計算機的數(shù)字圖像信號進行分析的圖像分析單元包括對比度、亮度、模式匹配、輪廓匹配、位置、寬度和計數(shù)的功能。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述主計算機包括輸入由所述視覺計算機的所述比較單元確定的結(jié)果的輸入單元； 管理單元，通過積累和計算所述圖像檢測結(jié)果來管理燃料電池堆中的部件的質(zhì)量數(shù)據(jù)；以及拍攝裝置控制單元，將操作信號輸出給所述X射線裝置。
10.一種用于檢測燃料電池堆部件中的針孔的方法，包括 通過X射線裝置對燃料電池堆的一個或多個部件進行拍攝； 由圖像處理器產(chǎn)生從所述X射線裝置輸出的圖像信號；通過選擇性地接收和分析來自所述圖像處理器的圖像信號，由視覺計算系統(tǒng)確定相應(yīng)部件是正常還是有缺陷；通過所述視覺計算系統(tǒng)積累和計算圖像確定結(jié)果來管理燃料電池堆的質(zhì)量數(shù)據(jù)；以及將拍攝控制用的輸出指令傳送給所述X射線裝置。
11. 一種包含由處理器執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令的非短暫計算機可讀介質(zhì)，包括 通過X射線裝置對燃料電池堆的一個或多個部件進行拍攝的程序指令； 由圖像處理器產(chǎn)生從所述X射線裝置輸出的圖像信號的程序指令； 通過選擇性地接收和分析來自所述圖像處理器的圖像信號，由視覺計算系統(tǒng)確定相應(yīng)部件是正常還是有缺陷的程序指令；通過所述視覺計算系統(tǒng)積累和計算圖像確定結(jié)果來管理燃料電池堆的質(zhì)量數(shù)據(jù)的程序指令；以及將拍攝控制用的輸出指令傳送給所述X射線裝置的程序指令。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測燃料電池堆部件中的針孔的系統(tǒng)，以便精確地檢測燃料電池堆部件中針孔的存在，從而確保燃料電池堆的質(zhì)量。也就是說，本發(fā)明提供一種檢測燃料電池堆的部件中的針孔的系統(tǒng)，通過使用X射線裝置和視覺系統(tǒng)來檢測對燃料電池堆的質(zhì)量具有極大影響的燃料電池堆的每一部件以確定部件中的針孔的存在，從而確保燃料電池堆的質(zhì)量并避免使用有缺陷的部件，以及用于檢測燃料電池堆的部件中的針孔的方法。
文檔編號G01N21/894GK102486464SQ20111019527
公開日2012年6月6日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者安商悅, 安炳琪, 李根提, 李盛根, 林泰源 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社, 起亞自動車株式會社