1MEA层合工艺介绍
MEA结构示意图如图1所示。催化剂层(CatalystLayer，CL)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;质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)具有良好的阻气能力和传导质子的能力，同时具有一定的机械强度和良好的结构稳定性［8］;气体扩散层(GasDiffusionLayer，GDL)在电极中起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，同时使反应气体能够均匀地到达催化剂层［9］，气体扩散层主要是提供质子传递的通道(从阳极到阴极)，同时应防止两边的氢气和氧气互串及阴、阳极发生短路;密封层作为电池组封装时的支撑，同时防止氢气和氧气绕过气体扩散层的边缘发生互串。密封层和质子交换膜为透明薄膜，密封层中间矩形空腔涂覆有催化剂，GDL尺寸要比CL稍大，并且一面涂覆有碳粉，通过热压使GDL有碳粉的一面与CL层结合在一起。GDL与催化剂层要求精确层合，否则会导致氢气和氧气外泄，反应离子减少，使电池的电能转换效率下降。
2MEA贴片方案
由于盛放GDL的料盒尺寸要比GDL略大，机械手每次开启真空拾取GDL时，GDL在料盒中的倾斜角度和位置是不确定的，而催化剂每次进给的位置也有偏差，此外由于该方案中存在拾取头反转机构，拾取头反转轴线与GDL中心线不共线也会引入贴片误差，因此，机械手不可能将GDL拾取后直接贴在催化剂层上。所以，笔者根据工艺要求，提出了具有真空吸附功能的多自由度机械手贴片方案。该方案采用机器视觉技术获得催化剂层和GDL的位置信息，并通过相应的贴片算法，消除了上述误差，从而引导机械手精确贴片。2．1机械结构方案根据层合工艺需求，设计如图2所示的层合机械结构，该结构包括执行部分和检测部分。执行部分包括:具有真空吸附功能的拾取头，用于从料盒中拾取GDL;可使拾取头反转180°的摆动气缸;用于调整拾取头XY平面角度的直线执行器，当直线执行器的末端伸出时，沿Z轴负方向观察，拾取头逆时针旋转，当直线执行器缩回时，拾取头靠弹簧复位实现顺时针旋转;用于拾取头上下运动的Z向电动机模组;用于拾取头沿Y方向移动的Y向电动机模组及沿X方向移动的X向电动机模组;上热压头和下热压头内部有恒温发热芯，并且具有真空吸附功能，其中上热压头可以沿Z方向上下移动，下热压头可以沿X方向移动。检测部分包括:用于采集黑色催化剂层图像的催化剂检测相机，用于采集GDL图像的GDL检测相机。两部相机与装有图像处理软件的计算机连接。2．2贴片流程贴片流程为:首先对两台相机进行空间坐标和图像变形的标定，去除两台相机中的图像畸变，并将采集的图像像素坐标转换成实际坐标;涂覆有黑色催化剂层的薄膜材料沿Y轴正方向由夹持机构输送到位，催化剂检测相机采集图像;料盒将碳粉层朝上的GDL片材提升到位，拾取头从料盒中吸取一片GDL，然后移动到GDL检测相机的上方，GDL检测相机采集图像;下热压头向X负方向移动固定距离(根据实际安装尺寸确定)，并开启真空吸附;计算机通过本文第2．3节的下片GDL贴片算法，将位置偏差转换成直线执行器和各模组移动的距离，从而将GDL准确地贴在下热压头上，下热压头移回原位;GDL再拾取一片GDL移到GDL检测相机采集图像的位置，GDL检测相机采集图像，计算机通过本文第2．4节的上片GDL贴片算法，控制直线执行器和各模组移动，摆动气缸反转180°，上热压头开启真空吸附，将GDL准确地贴在上热压头上，机械手返回取料位置，上热压头向下运动，两片GDL有碳粉的一面与薄膜材料热压一定时间后层合在一起，关闭两热压头真空吸附，重复以上过程，直至加工完料盒中的GDL。2．3下片GDL贴片算法贴下片GDL时没有拾取头的反转，贴片算法相对简单，该算法同时也是上片GDL贴片算法的基础。首先催化剂检测相机和GDL检测相机对催化剂层和GDL进行图像采集，测量出催化剂层和GDL相对各自相机坐标系的角度。然后利用直线执行器对GDL角度进行纠正，从而使GDL中心线与催化剂层中心线平行。最后测量催化剂层和GDL两边缘上的关键点坐标，从而计算出X、Y方向的移动距离。2．3．1GDL角度纠正GDL和催化剂位置示意图如图3所示，图3中，XDODYD为GDL检测相机图像坐标系，XCOCYC为催化剂检测相机图像坐标系。以OD为圆心、rOD为半径的圆代表GDL检测相机的视野范围，与该圆相交的实线矩形代表拾取头从料盒拾取GDL后到达采图位置时GDL的图像，此时拾取头的中心线与XD轴重合，虚线代表GDL角度纠正完后的GDL图像;以OC为圆心、rOC为半径的圆代表催化剂检测相机的视野范围，与该圆相交的实线矩形代表催化剂检测相机下的催化剂的图像，以C'为顶点的实线矩形代表下热压头上方的催化剂边框的图像，以D'为顶点的虚线矩形代表贴片后的GDL图像，机械安装时要求XD轴与XC轴平行。通过数字图像处理中的边缘检测算法，检测出角度纠正前GDL长边相对于GDL相机视野XD轴的夹角为α，催化剂长边相对于催化剂相机视野XC轴的夹角为β，α、β沿XD轴逆时针方向为正。控制直线执行器运动，拾取头逆时针旋转ω=β－α，单位为(°)，从而使GDL与XD轴的夹角为β，此时GDL与催化剂平行。2．3．2X向和Y向电动机模组移动量通过边缘检测算法，测得角度纠正后GDL长边上任意一点D1的坐标为(xD1，yD1)，短边上任意一点D2的坐标为(xD2，yD2)。同理测得催化剂长边上任意一点C1的坐标为(xC1，yC1)，短边上任意一点C2的坐标为(xC2，yC2)。假设下热压头不伸出，拾取头直接将GDL贴在下热压头上的催化剂层上，即GDL从点D平移到D'，则X向电动机模组移动的距离Δx为:式中:lD为GDL长边的长度;wD为GDL短边的长度;lC为催化剂层长边的长度;wC为催化剂短边的长度;ΔxDC为GDL检测相机视野中心与催化剂检测相机视野中心在X方向上的距离，由机械安装位置决定。在实际应用中，下热压头沿X轴负方向移动距离有一误差s，则X向电动机模组移动的实际距离Δx实为:式中:ΔyDC为GDL检测相机视野中心与催化剂检测相机视野中心在Y方向上的距离，由机械安装位置决定;h为两片催化剂层对应顶点在Y方向上的距离，由MEA生产厂家决定;k为催化剂检测相机下方与下热压头上方之间的催化剂层个数，由薄膜生产厂家和机械安装位置决定，可以直接数出。2．4上片GDL贴片算法拾取头吸取GDL时，GDL轴线不可能与拾取头轴线完全重合，而是以一定的夹角相交，因此当拾取头反转180°后，仅用式(3)、式(4)不能保证上热压头贴片位置精确，需要对GDL再次进行纠偏。上片GDL位置示意图如图4所示，拾取头从料盒中拾取一片GDL到GDL检测相机的采图位置，经过本文第2．3．1节所述的GDL角度纠正后，GDL的位置变为以D为顶点、l3为轴线的实线矩形，通过式(1)和式(2)计算出点D的坐标(xD，yD);拾取头绕自身轴线l2翻转180°，GDL的位置变为以D3为顶点、l1为轴线的虚线矩形;控制直线执行器使拾取头绕铰接旋转中心OＲ逆时针旋转γ角度，此时拾取头的轴线为l5，GDL到达以l4为轴线的虚线矩形框的位置，使l4与l3平行。l1、l2和l3相交于点I1，l4和l5相交于点I2，l2与XD轴的夹角为ω，l2与l5的夹角为γ，由几何知识得出点I1的坐标(xI1，yI1)为:式中:xOＲ、yOＲ为铰接旋转中心相对于GDL检测相机的坐标，由机械安装位置决定。
3应用实例分析
为验证本文贴片方案在MEA贴片工艺中的有效性，在如图5所示的MEA贴片设备上进行实验。该设备的贴片方案机械结构与本文的设计方案完全一致，图像处理软件采用Matrox公司的MIL图像处理库，相机采用MicroVision公司的MVC3000SAC-GE12工业相机，其像素尺寸为2048个×1536个，像元尺寸为3．2μm×3．2μm，镜头选用PENTAX12mm焦距镜头，GDL检测相机采用高亮度LED条形光照明，催化剂检测相机采用高亮度背光照明。X、Y、Z向运动选用重复定位精度为±0．003mm的3套伺服电动机驱动精密滚珠丝杠模组完成，直线执行器采用Zaber公司的μm级小型直线执行器，运动控制系统采用DeltaTau公司的8轴PMAC运动控制卡。按照本文第2．2节所示的贴片流程进行贴片后的MEA成品示意图如图6所示，通过测量GDL两个顶点D3、D4到催化剂层两个顶点C3、C4的距离a、b、c、d，反映GDL与催化剂的层合情况，按厂家要求a、b、c、d的精度为1±0．2mm，实测结果如表1所示，所有测量距离均在0．8～1．2mm之间，满足了贴片要求，平均值在1mm左右，说明该燃料电池MEA贴片方案具有良好的稳定性。
4结语
本文提出了一种燃料电池MEA贴片方案，简述了其机械结构和检测方案，提出了上、下两片GDL纠偏算法，实验结果表明，本文提出的一种带自动纠偏功能的贴片方案精度符合要求(±0．2mm)，并具有良好的稳定性。本方案也有不足之处，由于测量中的催化剂层和GDL角度及偏移量都是相对各自相机而言，因此，对两台相机的位置安装精度要求较高，需要反复多次实验以确定安装误差并进行补偿，初次调试工作量较大。
作者：张步阳 梅爽 陈伟 王瑜辉 单位：华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室 东莞华中科技大学制造工程研究院
