JP2004325346A - Method of detecting pinhole and method of producing membrane electrode assembly - Google Patents

Method of detecting pinhole and method of producing membrane electrode assembly Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of detecting a pinhole, which accurately detects pinhole defects in a transparent / translucent film formed on an opaque membrane. <P>SOLUTION: The method of detecting pinhole has a polymer membrane 2 irradiated with irradiation light 8, receives only a light of specific wavelength among the light emitted from the polymer molecule membrane, and detects the presence or the absence of the pinhole 1 in the polymer molecule membrane 2, based on the amount of light of the received light. By using this pinhole detection method, the film being an object to be inspected is irradiated with a light as the irradiation light which reacts with the components of the film, and only the light having a specific wavelength band is detected among light emitted from the film, after reacting with the irradiation light, and the pinhole 1 can be detected based on the amount of light of the detected light. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の高分子膜のような膜やフィルムにピンホールが発生しているか否かを検査するピンホール検出方法及びメンブレインエレクトロードアッセンブリ(以下MEA)の生産方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は運転温度が低く、出力密度が高いという特徴があることから、次世代自動車の動力源、家庭用コージェネレーションシステムの電池として開発が進められている。燃料電池は積層体(以下スタック)を容器に収納した構造を有する。スタックは、電解膜を燃料極と空気極で挟んだ構造を有するMEAと、隣接するMEAの間に挟み込まれた導電性のガス分離・供給板であるセパレータとからなる基本構成単位(以下モジュール)を、数10個(個数は必要な出力電圧に応じて定められる。)積層した構造を有する。MEAは燃料極であるアノード触媒層、電解膜である高分子膜、空気極であるカソード触媒層の3層を導電性のガス拡散層(以下GDL(Gas Diffusion Layer))で挟み込んだ構成であり、燃料電池の心臓部である。例えば各層の厚さは、アノード触媒層が15μm、高分子膜が30μm、カソード触媒層が15μmである。
【0003】
製造段階におけるMEAの不良原因として最も多いのは、高分子膜に数μmの微少なピンホールが発生することである。ピンホールのない正常なMEAを燃料電池として使用すると、燃料極において水素(燃料ガス)が電子と分離してイオン化し、電解質中を水素イオンが移動し、空気極で水素イオンが電子と再結合して水素に戻り、次いで空気中の酸素と結合して水になる。この場合、水素と酸素とから水が生成される反応のギブズ自由エネルギーは、極めて高い効率で直接電気エネルギー(電解質中を水素イオンが移動する駆動力)に変換される。ピンホールがあると、燃料極の水素がイオン化せずに気体のままで空気極に移動し、空気極で触媒により酸素と結合して水になる。この場合、ギブズ自由エネルギーは電気エネルギーでなく熱エネルギーとしてその場で放出される。MEAはピンホールにおいて局部的に加熱され、劣化する。これが進行すると、電池が特性不良になる。
【0004】
固体高分子型燃料電池の製造において、電解膜である高分子膜にピンホールが発生しているか否かを検査し、ピンホールが発生している高分子膜を不良品として排除する工程が設けられる。従来例のピンホール検出方法においては、完成したスタックの特性を検査し、そのスタックに不良のモジュールが含まれているか否かを検査していた。検査した結果、スタックに特性不良のモジュールが含まれていることを発見した場合、スタックの中の不良モジュールを交換していた。しかし、完成したスタックを分解し、不良のモジュールを交換し、再びスタックを組み立てる作業は、多大な労力を必要とする。スタックに組み立てられた状態になる前に、好ましくはMEAに組み立てられた状態になる前に、高分子膜にピンホールがあるか否かを検査し、ピンホールを有する高分子膜を生産工程から排除できれば、組み立てられたスタック又はMEAの歩留まりを大幅に向上させ、実効的な製造工数を大幅に低減することが出来る。
【0005】
MEAの製造方法としては、塗工工法等がある。
塗工工法はPET(Polyethylene Terephthalate)等のベースとなる保持物の上に順次、アノード触媒層、高分子膜、カソード触媒層を塗布していくMEAの製造方法である。ピンホール発生原因は、高分子膜塗布時に高分子材料中に入り込んだ気泡等によりピンホールが発生すること、及びアノード触媒層に微細な隙間があって、高分子膜塗布時にその隙間に高分子材料が吸い込まれてピンホールが発生することの2つである。両方の場合とも、高分子膜を塗布後にピンホールの有無を検査する必要がある。その場合は、非透明な触媒層が高分子膜の下に存在した状態で、透明又は半透明の高分子膜にピンホールがあるか否かを検査しなければならない。
【0006】
従来、数多くのピンホール検出方法が提案されており、例えば、検査対象物であるテープ状で透明又は半透明のフィルムを挟んで配置されたハロゲン光源と光センサとのセットを、フィルム走行方向に沿って2箇所設置する。ハロゲン光源が透明又は半透明のフィルムに光を照射する。光センサがフィルムの透過光を受光する。ピンホールがあると、光センサの受光量がピンホールがない所と較べて大幅に増大する。このことを利用して、フィルム上のピンホールを検出する方法がある(特許文献1参照)。この方法は、検査対象物である透明又は半透明の膜やフィルムに非透明な膜やフィルムを密着して貼り付けた膜やフィルムのピンホール検出には適用できない。
【0007】
また他の方法として、赤色の剥離フィルムと透明フィルムとを積層した検査対象物である偏光フィルムを支持台に載置する。剥離フィルムの赤色と補色関係に有る緑の照明光を偏光フィルムに照射し、検査者はその反射光を観察する。剥離フィルムに入射した緑の光は、赤色の剥離フィルムに吸収されて見えない。透明フィルムの表面で反射した緑の光のみが、検査者の目に届く。検査者は、偏光フィルムの透明フィルムの表側(剥離フィルムと接する側を裏側とする。)にあるピンホールを含む表面の凹凸、表面に付着したゴミ等のみを検出できる方法がある(特許文献2参照)。この方法は、偏光フィルムの表面の凹凸、汚れ等を検出する方法であって、透明フィルムを貫通するピンホールのみを検出できない。又、透明フィルムの透明度が高い場合にも使用できない。この方法は、例えば表面の凹凸は問題にならず、透明フィルムを貫通するピンホールのみが不良の原因となる燃料電池のMEAの高分子膜やフィルムのピンホール検出には使用できない。
【0008】
さらに他の方法として、光源、偏光板、検査対象物である透明のシート、他の偏光板、受光部の順に配置する。光源から透明のフィルムに光を照射し、受光部が偏光板、透明のシート及び他の偏光板を透過した光を検出する方法がある(特許文献3参照)。この方法も、検査対象物である透明又は半透明の膜やフィルムに非透明な膜やフィルムを密着して貼り付けた膜やフィルムのピンホール検出には適用できない。
【0009】
【特許文献1】
特開2000−146861号公報
【特許文献2】
特開2001−108630号公報
【特許文献3】
特開平06−18445号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、非透明な膜やフィルム上に存在する透明又は半透明の検査対象物の膜やフィルムに存在するピンホールを検出するためには、検出方法は下記の4つの条件を具備することが必要である。▲1▼数μmのサイズのピンホールを検出する検出感度を有すること、▲2▼非破壊検査であり且つ非接触検査であること、▲3▼非真空状態で検査できること(高分子膜は、真空中に入れるとダメージを受ける。)、▲4▼非透明な面(例えば膜)上に存在する透明又は半透明の膜やフィルムのピンホールを検出できることである。従来、これらの4つの条件を具備するピンホール検出方法はなかった。
【0011】
本発明はこれらの条件を満たし、非透明な膜やフィルム上に存在する透明又は半透明の検査対象物の膜やフィルムに存在する数μmのピンホールを的確に検出することができるピンホール検出方法及びメンブレインエレクトロードアッセンブリの生産方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は検査対象物に照射光を照射し、前記検査対象物から発生した光のうち特定の波長の光のみを受光し、前記受光した光の光量に基づいて、前記検査対象物のピンホールの有無を検出することを特徴とするピンホール検出方法である。
【0013】
本発明は、検査対象物の構成物質の量に応じた反応光を検知することにより、例えば反射型の構成であれば照射光の入力面と反対側の面の状態によらず、ピンホールの存在を高精度、非破壊・非接触に検査可能であり、非透明な膜やフィルム上に存在する透明又は半透明の検査対象物に存在する数μmのピンホールを的確に検出することができる。
また、照射光が紫外光であり、検査対象物が前記紫外光に反応して発生する蛍光の光量がピークとなる波長付近の波長の光のみを受光することを特徴とする。
【0014】
ある種の有機物(例えばパーフルオロスルホン酸膜等の高分子膜)は、紫外光で励起すると、蛍光である強い反応光を発生する。一方で、燃料電池のMEA等で高分子膜の下層に形成される触媒層は、短波長の光を照射しても蛍光を発しにくい。本発明は、例えば燃料電池のMEAの製造工程において、触媒層の上に形成された高分子膜に発生したピンホールを高感度で検出することができる。
また照射光が可視光であり、検査対象物が前記可視光によりラマン散乱をおこすことにより発生する光の光量がピークとなる波長付近の波長の光のみを受光することを特徴とする。
【0015】
物質(例えばパーフルオロスルホン酸膜等の高分子膜)を可視光又は近赤外光で励起すると、その物質の分子の形に応じてラマン散乱が発生する。発生するラマン散乱光は、波長が照射光の波長からずれ、物質の分子の形に応じて異なる波長の細いピークを持つ。ラマン散乱光の波長は、物質の分子の形に応じて異なる。それ故、例えば燃料電池のMEA等の高分子膜と、その下層に形成される触媒層とは、ラマン散乱光の波長が異なる。ラマン散乱光のスペクトルの半値幅は狭い故に、高分子膜のラマン散乱光と、触媒層のラマン散乱光とを弁別することは容易である。
本発明は、ラマン散乱光のピーク波長付近の光量に基づいて、非透明の膜上に形成された透明又は半透明の膜に発生したピンホールを高感度で検出することができる。
本発明によれば、例えば燃料電池のMEA等の高分子膜の下層に形成される触媒層が、紫外光を照射すると蛍光を発生する場合でも、検査対象物である高分子膜のピンホールを検出できる。
【0016】
また照射光がX線であり、検査対象物が前記X線に反応することにより発生する蛍光X線の強度がピークとなる波長付近の波長のX線のみを受光することを特徴とする。
ある種の有機物(例えばパーフルオロスルホン酸膜等の高分子膜)は、X線で励起すると、蛍光X線である強い反応光を発生する。一方で、燃料電池のMEA等で高分子膜の下層に形成される触媒層は、X線を照射しても蛍光X線を発しない。本発明は、例えば燃料電池のMEAの製造工程において、触媒層の上に形成された高分子膜に発生したピンホールを高感度で検出することができる。
【0017】
さらに、ベース上に所定の材料を塗布してアノード触媒層を生成し、その上に他の所定の材料を塗布して高分子膜を生成し、前記高分子膜のピンホールの有無を検査し、前記検査で良品と判定された場合にのみ、その上に別の所定の材料を塗布してカソード触媒層を生成することを特徴とするメンブレインエレクトロードアッセンブリの生産方法である。
【0018】
本発明によれば、完成したMEAの歩留まりが極めて良い故に、スタックを完成後、特性不良によりスタックを修理する率が大幅に低下する。本発明は、歩留まりが良く、塗工工法による、後の工程における修理工数を低減できるMEAの生産方法を実現する。本発明の生産方法により、安価な燃料電池を実現できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について図面とともに記載する。
【0020】
《実施の形態1》
以下、本発明の実施の形態1のピンホール検出装置、ピンホール検出方法及びMEAの生産方法について図1から図4を用いて説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係るピンホール検出装置の構成を示す図である。図1において、2は高分子膜、1は高分子膜2に生じたピンホール、3は触媒層、4はベースフィルム、5は照明光源、6は照明波長フィルタ、7は投光レンズ、8は照明光源5が出力した照明光、9は波長がシフトした光、10は受光レンズ、11は受光波長フィルタ、12は光センサ、13はピンホール検出部、14はモニタテレビ、15は制御部、16はX軸駆動部、17はY軸駆動部、18はワークチャック、19はX軸、20はY軸である。
【0021】
検査対象物(高分子膜2、触媒層3及びベースフィルム4)は、燃料電池のMEAの製作の途中工程の状態である。本実施の形態におけるMEAの生産方法を説明する。最初に、ベース上に所定の材料を塗布して厚さ15μmのアノード触媒層3を生成する。触媒層3はカーボン等の導電体に白金等の触媒を混入した、黒色の非透明な物質である。次に、触媒層3の上に他の所定の材料を塗布して厚さ30μmの透明又は半透明の高分子膜2を生成する。高分子膜2はパーフルオロスルホン酸膜等の透明な物質である。ここまで作った状態で、高分子膜2にピンホールがあるか否かを以下に説明するピンホール検出方法で検査する。図1に示す高分子膜2、触媒層3及びベースフィルム4は、高分子膜の生成を完了した時点の物である。検査において高分子膜2に所定の閾値以上のピンホールがないと判定した場合にのみ、その上に別の所定の材料を塗布してカソード触媒層を生成する。このようにして、塗工工法によりMEAを高い歩留まりで生産する。
ここで、「所定の閾値」とは任意の値である。例えば閾値は、1つのピンホールの大きさの閾値である。閾値は固定の閾値でも良く、浮動閾値でも良い。例えば画像を微分処理した結果に対して、所定の閾値を適用して良否判定しても良い。
【0022】
図1の説明に戻る。ワークチャック18、X軸19及びY軸20は、検査用ステージに含まれる。制御部15は、X軸駆動部16及びY軸駆動部17を制御し、検査用ステージのワークチャック18をX軸方向、Y軸方向に駆動する。検査用ステージのワークチャック18は、ベースフィルム4上に触媒層3及び検査対象物である高分子膜2を形成した物を載置する。
【0023】
本実施の形態のピンホール検出装置及びピンホール検出方法は、検査対象物である高分子膜2に存在する1μm程度のピンホール1を検出することを目的とする。
水銀ランプである照明光源5から発せられた光のうち、照明波長フィルタ6は、波長が300nm以下の紫外光だけを通過させる。照明波長フィルタ6を通過した光は、投光レンズ7により集光されて照明光8として、検査対象物に照射される。照明光8は、後述する検査視野より広い範囲を照射するエリア照明である。
検査対象物に照射された照明光8は、検査対象物を励起して、波長が長波長側にシフトした蛍光9に変化する。蛍光9は、受光レンズ10により集光される。受光波長フィルタ11は受光レンズ10により集光された蛍光9のうち、波長が320nmから430nmの波長の光のみを通過させる。光センサ12は、受光レンズ10を通過した光を受光する。
光センサ12は、受光波長フィルタ11を通過した蛍光を電気的な検出信号に変換して、ピンホール検出部13に出力する。実施の形態の光センサ12はエリアCCDである。
【0024】
実施の形態1において、検査対象物のサイズは100mm×100mmである。ピンホール検出装置は、検査対象物の全面を検査する必要がある。
1μmのピンホール1を検出するために、画素分解能を1μmに設定している。光センサ12は、2000画素×2000画素のものを使用し、検査視野サイズは2mm×2mmと設定している。
図3に示すように、制御部15は、検査視野サイズのピッチで検査対象物を移動させる。光センサ12が画像を入力して、ピンホール検出部13が画像処理することを2500視野について行う。
【0025】
光センサ12の電子シャッター機能を利用して、ピンホール検査の高速化を行なっている。制御部15が1視野毎にX軸駆動部16を停止させてから光センサ12が画像を入力するのではなく、X軸駆動部16が検査対象物をX軸方向に一定速度で移動させながら、光センサ12は電子シャッター機能を動作させた状態で連続的に画像を入力し、ピンホール検出部13は入力した画像を処理する。検査対象物をY軸方向に1視野分移動させる時は、制御部15がY軸駆動部17を停止させてから光センサ12が画像を入力する。すなわち、検査対象物を検査視野に対してX軸方向及びY軸方向に相対的に走査する。実施の形態において、ピンホール検出部13が0.05秒以内に画像処理を完了させることにより、ピンホール検出装置は2mm×2mmの1視野あたり0.05秒で検査を行うことができる。図3に示すように、X軸駆動部16が主走査方向のX軸方向に40mm/秒の速度で検査対象物を移動させながら、光センサ12は0.05秒毎に、0.0001秒の電子シャッターで画像を入力する。ピンホール検出装置は、検査対象物の全面の検査を125秒で完了することができる。
【0026】
ピンホール検出部13は、A/D変換器131、画像処理部132、画像判定部133、画像生成部134を有する。ピンホール検出部13は、以下説明する方法により高分子膜にピンホールがあるか否かを検出し、検出結果を出力する。実施の形態1において、ピンホール検出部13は、パーソナルコンピュータである。
A/D変換器131は、光センサ12の出力信号をデジタル信号に変換する。画像処理部132及び画像判定部133は、CPUがソフトウエアにより実行する機能である。画像処理部132は、光センサ12が受光した蛍光の強度(光量)に応じた明暗画像を1視野毎に作成し、明暗画像を画像判定部133へ出力する。
画像判定部133は、画像処理部132によって作成された蛍光の強度に応じた1視野毎の明暗画像を基にして、ピンホール1が存在する箇所とサイズを判定する。
【0027】
画像生成部134は、1検査視野毎に、ピンホール1が存在する箇所とサイズを示す画像を生成する。モニタテレビ14は、この画像を表示する。図2は、画像生成部134が生成した画像の一例を示す。
ピンホール1が存在する部分では、蛍光が発生しないため暗くなっている。画像判定部133は、この暗くなっている部分を画像処理により検出する。例えば、光センサ12の受光量が所定の閾値未満である領域を抽出し、ラベリングにより面積と重心位置を計算することにより、ピンホール1の存在箇所と大きさを計算できる。作業者はモニタテレビ14により各画像を確認でき、又はメンテナンス時に他の画面をモニタテレビ14に表示させて便宜を図ることができる。画像判定部133は、ピンホール1の大きさに基づいて、自動的に検査対象物の良否判定を行なっても良い。
【0028】
受光波長フィルタ11について説明する。受光波長フィルタ11は波長が320nm〜430nmの光のみを通過するフィルタとしている。この理由を図4を用いて説明する。
図4のグラフは波長280nmの紫外光を励起光として高分子膜2と触媒層3に照射し、分光光度計により、それぞれの分光特性を計測したデータである。高分子膜2又は触媒層3は励起光に反応して、励起光より長波長側にシフトした光を発する。図4は、高分子膜2と触媒層3とが発する光のスペクトル強度を表すものである。高分子膜2は光量のピークが367.6nmに存在する。一方、触媒層3は全波長域において、光量が小さい。従って、波長が367.6nm付近では、高分子膜2が存在する部分とピンホール1が生じている部分との光量の差がはっきりとしている。
【0029】
図4に示すように、受光波長フィルタ11により蛍光のピークである波長が367.6nm付近の光のみを抽出すれば、高いS/N比で高分子膜2が存在する箇所とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを弁別することが可能となる。これに基づいて、受光波長フィルタ11は図4の網掛けに示すように、320nm〜430nmの波長の光のみを通過するフィルタとしている。受光波長フィルタ11の通過帯域は、励起光の波長(280nm)を含まないので、更に高いS/N比で高分子膜2が存在する箇所とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを弁別できる。
受光波長フィルタ11を用いなければ、S/N比が低下して、検出性能が低下する。また蛍光を用いず、単に白色光を検査対象物に照射して、その反射光の強さによりピンホールを検査した場合、高分子膜2の表面の凹凸による明暗と、ピンホール1の有無による明暗の切り分けができず、ピンホール1を検出することができない。
【0030】
次に励起光として紫外光(波長=280nm)を選択した理由、及び照明波長フィルタ6について説明する。励起光の波長を変更しながら、上記の分光光度計により、高分子膜2からの蛍光強度を計測した結果、波長が短いほど、蛍光強度が強いことが判った。比較的低コストで入手できる短波長の光源として水銀ランプがあるが、水銀ランプの最短の波長のピークは280.4nmである。従って、照明波長フィルタ6は300nm以下の波長の光のみを通過するフィルタとし、280.4nmをピークとする紫外光を検査対象物に照明している。
【0031】
本実施の形態において、検査対象物は触媒層3の上に高分子膜2が形成されている状態であったが、高分子膜単体でも検査可能である。
検出原理上、高分子膜2の量と蛍光光量との間には相関関係がある。画像判定部133が出力する明暗画像の濃淡のデータを利用することにより、ピンホール1のみならず、高分子膜2の量が変動する高分子膜2内部の気泡や、高分子膜2の厚さむら等も検出可能である。
本実施の形態においては入射光源はエリア照明、光センサ12はエリアCCDとしたが、ライン照明とラインCCDの組み合わせや、点照明とフォトマル等の点受光素子の組み合わせを用いて、検査対象物を走査してもよい。
画像処理により、ピンホール1を検出する方法は、固定の閾値でなく、浮動閾値でも良い。また、微分処理を用いても良い。
【0032】
本実施の形態で説明した方法により燃料電池用の高分子膜のピンホール検査を実施し、直径1μm以上のピンホール1が存在しないことを確認した高分子膜2を使用して、MEAを製造する。これにより、MEAの良品率を大幅に向上できる。後の工程で高分子膜の欠陥が発見された場合に比べて、生産上の工数ロスを大幅に削減できる。
【0033】
《実施の形態2》
以下、本発明の実施の形態2のピンホール検出装置、ピンホール検出方法及びMEAの生産方法について、図1、図5、図6を用いて説明する。本実施の形態のピンホール検出装置の全体的構成は、図1で示した実施の形態1のピンホール検出装置の全体的構成と同一である。以下、異なる部分についてのみ説明する。
実施の形態2のピンホール検出装置は、照明光源5、照明波長フィルタ6及び受光波長フィルタ11のみが実施の形態1のものと異なる。実施の形態2の照明光源5は、ハロゲンランプであり、照明波長フィルタ6は、波長が745nm〜755nmの光のみを通過させるフィルタとなっている。検査対象物には波長が745〜755nmの波長帯域を持った可視光が、照明光8として照射される。受光波長フィルタ11は波長が780nm〜840nmの光のみを通過させるフィルタとなっている。
【0034】
この様な構成にした理由及び、実施の形態1に比べての利点を図4、図5、図6を用いて説明する。
実施の形態1では、触媒層3はカーボン等の導電体に白金等の触媒を混入した黒色の非透明な物質であり、紫外光により励起した場合の発光は図4に示すように全波長域において十分小さかった。しかし、触媒層3は燃料電池の性能を左右する重要な要因であり、改良が重ねられている。改良の主なポイントは触媒や導電体の原料の変更である。触媒層3の原料が変更された場合に、その原料が蛍光を強く発生する場合がある。
図5の触媒2に示すように、触媒層3が高分子膜2が発する光量に近い光量の蛍光を発生する場合がある。図5の特性においては、高分子膜2とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを弁別することが困難である。この場合、実施の形態1の方法ではピンホールの検出が困難となる。
【0035】
物質が励起光により反応し、光の波長が長波長側にシフトする現象として、蛍光とは別に、ラマン散乱という現象がある。ラマン散乱の特徴は、蛍光のように太い巾の波長域ではなく、物質固有の、細い巾の波長域で発光のピークが現れることである。一般に、励起光の波長が可視光以上の場合にラマン散乱は出やすい。
【0036】
図6のグラフは波長750nmの可視光を励起光として高分子膜2と触媒層3に照射し、分光光度計により、それぞれの分光特性を計測したデータである。
図6のグラフにおいて、高分子膜2のデータは実測値、触媒層3のデータは予測値である。ラマン散乱の場合は、別の物質が同じ所でピークを持つことは原理的にあり得ないので、図中に示すように、波長の異なった所でピークを持つ。
従って、図6の図中に示すように、780nm〜840nmの波長の光のみを通過する受光波長フィルタ11を用いることにより、高分子膜2とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを高いS/N比で弁別することが可能となる。
実施の形態2の方法により、改良のため触媒層3の原料が変更され、触媒層3が紫外光によりやや強めの蛍光を発生する場合も確実に高分子膜2に存在するピンホール1を検出することが可能となる。
【0037】
なお、本実施の形態では照明光源5は低コスト化を目的としてハロゲンランプを使用しているが、レーザを用いても良い。レーザを用いた場合、光源自身の波長域が狭いので、照明波長フィルタ6が不要になる場合もある。
本実施の形態では照明光源5が照明波長フィルタ6を通じて発する光の波長として750nmを使用した。ラマン散乱は可視光から近赤外光で発生するので、照明波長は可視光(約400nm〜約750nm)又は近赤外光(波長が約750nm〜約2500nm)でも良い。照明波長を変えた場合、受光波長フィルタ11の通過帯域は、それに応じて変更する必要がある。
【0038】
本実施の形態で説明した方法により燃料電池用の高分子膜のピンホール検査を実施し、直径1μm以上のピンホール1が存在しないことを確認した高分子膜2を使用して、MEAを製造する。これにより、MEAの良品率を大幅に向上できる。後の工程で高分子膜の欠陥が発見された場合に比べて、生産上の工数ロスを大幅に削減できる。
【0039】
《実施の形態3》
本発明の実施の形態3のピンホール検出装置、ピンホール検出方法及びMEAの生産方法について図7、図8を参照しながら説明する。
図7は、実施の形態3のピンホールの検出装置の構成を示す図である。図7において、実施の形態1のピンホール検出装置と同一のブロックには同一の符号を付している。実施の形態1と同一のブロックの説明を省略し、異なるブロックについてのみ説明する。実施の形態1と異なるところは、実施の形態1の照明光源5、照明波長フィルタ6、投光レンズ7に換えて、X線源71を設け、受光波長フィルタ11及び光センサ12に換え、X線フィルタ72、X線シンチレータ73、CCDカメラ74を設けた点である。
【0040】
物質にX線を照射すると、物質に吸収されたX線の一部が各元素の種類によって固有のエネルギー(波長)を持った蛍光X線となって放出される。この蛍光X線をX線シンチレータ73により可視化し、CCDカメラ74で検出する。この蛍光X線の波長は物質固有の値である。実施の形態3のピンホール検出装置においては、この物質固有の波長域のみを通過させるX線フィルタ72をX線シンチレータ73の前に設置することにより、ピンホールの有無を検出し、検出結果を画像化して出力する。
【0041】
X線を用いてピンホールを検査するメリットを図8を用いて説明する。図8は連続X線を高分子膜2と触媒層3に照射した場合の分光特性を表す図である。高分子膜2に起因して、波長が約0.3Åの付近で鋭いピークを持った蛍光X線が発生している。この部分の波長の蛍光X線を通過させるX線フィルタ72をニッケル等の金属により製作して設置する。ピンホール検出部13は、CCDカメラ74が検出した画像データを入力し、ピンホールを検出する。この構成により、高分子膜2とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを高いS/N比で弁別することが可能となる。
【0042】
本実施の形態で説明した方法により燃料電池用の高分子膜のピンホール検査を実施し、直径1μm以上のピンホール1が存在しないことを確認した高分子膜2を使用して、MEAを製造する。これにより、MEAの良品率を大幅に向上できる。後の工程で高分子膜の欠陥が発見された場合に比べて、生産上の工数ロスを大幅に削減できる。
【0043】
上記の実施の形態においては、塗工工法で製造する燃料電池のMEAの高分子膜のピンホール検出を行った。本発明の適用対象はこれに限られるものではなく、例えば透明又は半透明の高分子膜を単体の状態で検査し、そこに存在するピンホールを検出することもできる。この場合、光源と受光部とが検査対象物である透明又は半透明の高分子膜に対して同じ側に配置された構成でも良く、又は光源と受光部とが検査対象物である透明又は半透明の高分子膜を挟んで配置された構成でも良い。上記のいずれかの方法により物質の欠落を検出できるものであれば、検査対象物は非透明であっても良い。
本発明は、厚さの有る物体の表面に形成された薄膜のピンホールを検出することにも適用できる。
なお、本発明の実施の形態においては、検査対象物を高分子膜としたが、これに限られるものではなく、単体の薄いフィルム、多層に積層されたフィルムであってもよい。
【0044】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のピンホール検出方法によれば、検査対象物となるフィルムの構成物質が反応する光をフィルムに照射光として照射し、その光に反応してフィルムが発生した光のうち、特定の波長域の光のみを検出し、検出された光量に基づいて、ピンホールを検査する。
本発明によれば、高分子膜に生じた数μmのピンホールを的確に検出することができるピンホール検出装置及びピンホール検出方法を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、非透明な膜上に存在する透明又は半透明の検査対象物の膜に存在する数μmのピンホールを的確に検出することができるという有利な効果が得られる。
【0045】
本発明によれば、後の工程における修理工数を大幅に低減する、塗工工法によるMEAの生産方法を実現できるという有利な効果が得られる。本発明によれば安価な燃料電池を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1のピンホール検出装置の構成を示す図
【図2】本発明の実施の形態1のピンホール検出装置が出力したピンホールを含む画像の一例を示す図
【図3】本発明の実施の形態1のピンホール検出装置が検査対象物の全面を検査する動作を示す図
【図4】高分子膜及び触媒に紫外光を照射したときに発する蛍光の波長分布を示すグラフ
【図5】高分子膜及び2種類の触媒に紫外光を照射したときに発する蛍光の波長分布を示すグラフ
【図6】高分子膜及び触媒に可視光を照射したときに生じるラマン散乱の波長分布を示すグラフ
【図7】本発明の実施の形態3のピンホール検出装置の構成を示す図
【図8】高分子膜及び触媒にX線を照射したときに発する蛍光X線波長分布を示すグラフ
【符号の説明】
1 ピンホール
2 高分子膜
3 触媒層
4 フィルムベース
5 照明光源
6 照明波長フィルタ
7 投光レンズ
8 照明光
9 物質が発生した光
10 受光レンズ
11 受光波長フィルタ
12 光センサ
13 ピンホール検出部
14 モニタテレビ
15 制御部
16 X軸駆動部
17 Y軸駆動部
18 ワークチャック
19 X軸
20 Y軸
71 X線源
72 X線フィルタ
73 X線シンチレータ
74 CCDカメラ
132 画像処理部
133 画像判定部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pinhole detection method for inspecting whether a pinhole is generated in a film or a film such as a polymer film of a fuel cell, and a method for producing a membrane electrode assembly (hereinafter, MEA).
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Polymer electrolyte fuel cells are characterized by low operating temperatures and high power densities, and therefore are being developed as power sources for next-generation vehicles and as batteries for home cogeneration systems. A fuel cell has a structure in which a stacked body (hereinafter referred to as a stack) is housed in a container. The stack is a basic structural unit (hereinafter, module) comprising an MEA having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a separator serving as a conductive gas separation / supply plate sandwiched between adjacent MEAs. Are stacked in a number of tens (the number is determined according to a required output voltage). The MEA has a structure in which an anode catalyst layer serving as a fuel electrode, a polymer film serving as an electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer serving as an air electrode are sandwiched between conductive gas diffusion layers (hereinafter referred to as GDLs (gas diffusion layers)). Is the heart of the fuel cell. For example, the thickness of each layer is 15 μm for the anode catalyst layer, 30 μm for the polymer film, and 15 μm for the cathode catalyst layer.
[0003]
The most common cause of MEA failure in the manufacturing stage is the generation of minute pinholes of several μm in the polymer film. When a normal MEA without pinholes is used as a fuel cell, hydrogen (fuel gas) is separated from electrons and ionized at the fuel electrode, hydrogen ions move through the electrolyte, and recombine with the electrons at the air electrode. To return to hydrogen, and then combine with oxygen in the air to form water. In this case, the Gibbs free energy of the reaction in which water is generated from hydrogen and oxygen is directly converted to electric energy (the driving force for moving hydrogen ions in the electrolyte) with extremely high efficiency. If there is a pinhole, hydrogen in the fuel electrode moves to the air electrode as a gas without being ionized, and is combined with oxygen by a catalyst at the air electrode to become water. In this case, the Gibbs free energy is released on the spot as thermal energy rather than electrical energy. The MEA is locally heated in the pinhole and degrades. As this proceeds, the battery becomes poor in characteristics.
[0004]
In the manufacture of polymer electrolyte fuel cells, a process is provided to check whether pinholes are generated in the polymer film that is the electrolytic film and to eliminate the polymer film with pinholes as defective. Can be In the conventional pinhole detection method, the characteristics of a completed stack are inspected, and whether or not a defective module is included in the stack is inspected. If the inspection found that the stack contained a module with a defective characteristic, the defective module in the stack was replaced. However, the work of disassembling the completed stack, replacing defective modules, and assembling the stack again requires a great deal of labor. Before being assembled into the stack, preferably before being assembled into the MEA, the polymer film is inspected for pinholes, and the polymer film having pinholes is removed from the production process. If it can be eliminated, the yield of the assembled stack or MEA can be significantly improved, and the effective man-hours can be significantly reduced.
[0005]
As a method for manufacturing the MEA, there is a coating method or the like.
The coating method is a method of manufacturing an MEA in which an anode catalyst layer, a polymer film, and a cathode catalyst layer are sequentially coated on a base material such as PET (Polyethylene Terephthalate). The cause of pinholes is that pinholes are generated due to bubbles or the like entering into the polymer material at the time of coating the polymer film, and there is a fine gap in the anode catalyst layer. The second is that the material is sucked and pinholes are generated. In both cases, it is necessary to inspect for the presence of pinholes after the application of the polymer film. In that case, it is necessary to inspect whether or not the transparent or translucent polymer film has a pinhole in a state where the non-transparent catalyst layer exists under the polymer film.
[0006]
Conventionally, a number of pinhole detection methods have been proposed, for example, a set of a halogen light source and an optical sensor disposed across a transparent or translucent film in the form of a tape to be inspected, in the film running direction. Along two places. A halogen light source illuminates the transparent or translucent film with light. An optical sensor receives the transmitted light of the film. When there is a pinhole, the amount of light received by the optical sensor is significantly increased as compared with a case where there is no pinhole. Utilizing this, there is a method of detecting a pinhole on a film (see Patent Document 1). This method cannot be applied to the detection of pinholes in a film or film obtained by closely attaching a non-transparent film or film to a transparent or translucent film or film to be inspected.
[0007]
As another method, a polarizing film, which is a test object in which a red release film and a transparent film are laminated, is placed on a support. The polarizing film is irradiated with green illumination light having a complementary color relationship with the red color of the release film, and the inspector observes the reflected light. Green light incident on the release film is absorbed by the red release film and is invisible. Only the green light reflected from the surface of the transparent film reaches the inspector's eyes. There is a method in which an inspector can detect only irregularities on a surface including a pinhole on the front side of a transparent film of a polarizing film (a side in contact with a release film is a back side), dust attached to the surface, and the like (Patent Document 2). reference). This method is a method for detecting unevenness, dirt, and the like on the surface of the polarizing film, and cannot detect only a pinhole penetrating the transparent film. Also, it cannot be used when the transparency of the transparent film is high. This method does not cause any problem, for example, unevenness on the surface, and cannot be used for detecting pinholes in a polymer film or film of a MEA of a fuel cell in which only a pinhole penetrating a transparent film causes a defect.
[0008]
As still another method, a light source, a polarizing plate, a transparent sheet to be inspected, another polarizing plate, and a light receiving section are arranged in this order. There is a method in which a transparent film is irradiated with light from a light source, and a light receiving unit detects light transmitted through a polarizing plate, a transparent sheet, and another polarizing plate (see Patent Document 3). This method is also not applicable to the detection of pinholes in a film or film in which a non-transparent film or film is closely adhered to a transparent or translucent film or film to be inspected.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-146861
[Patent Document 2]
JP 2001-108630 A
[Patent Document 3]
JP 06-18445 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to detect a pinhole present in a film or a film of a transparent or translucent inspection object existing on a non-transparent film or a film, the detection method has the following four conditions. It is necessary. (1) It has a detection sensitivity for detecting pinholes of several μm in size, (2) it is a non-destructive inspection and a non-contact inspection, and (3) it can be inspected in a non-vacuum state. (4) It is possible to detect a transparent or translucent film or a pinhole of a film present on an intransparent surface (for example, a film). Conventionally, there has been no pinhole detection method satisfying these four conditions.
[0011]
The present invention satisfies these conditions, and detects pinholes of several μm in a film or film of a transparent or translucent test object existing on a non-transparent film or film. It is an object to provide a method and a method for producing a membrane electrode assembly.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention irradiates the inspection object with irradiation light, receives only light of a specific wavelength among the light generated from the inspection object, based on the amount of the received light, A pinhole detection method characterized by detecting the presence or absence of a pinhole in the inspection object.
[0013]
The present invention detects the reaction light according to the amount of the constituent substance of the test object, so that, for example, in the case of a reflection type configuration, regardless of the state of the surface opposite to the input surface of the irradiation light, Presence can be inspected with high accuracy, non-destructive and non-contact, and it is possible to accurately detect pinholes of several μm in non-transparent films and transparent or translucent inspection objects existing on films. .
Further, the irradiation light is ultraviolet light, and the inspection object receives only light having a wavelength near a wavelength at which the amount of fluorescent light generated in response to the ultraviolet light reaches a peak.
[0014]
Certain kinds of organic substances (for example, a polymer film such as a perfluorosulfonic acid film) generate strong reaction light which is fluorescence when excited by ultraviolet light. On the other hand, a catalyst layer formed below a polymer film in a fuel cell MEA or the like is unlikely to emit fluorescence even when irradiated with light having a short wavelength. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can detect, with high sensitivity, pinholes generated in a polymer film formed on a catalyst layer, for example, in a process of manufacturing an MEA for a fuel cell.
Further, the irradiation light is visible light, and the inspection object receives only light having a wavelength near a wavelength at which a light amount of light generated by causing Raman scattering by the visible light reaches a peak.
[0015]
When a substance (for example, a polymer film such as a perfluorosulfonic acid film) is excited by visible light or near-infrared light, Raman scattering occurs according to the shape of the molecule of the substance. The generated Raman scattered light has a wavelength shifted from the wavelength of the irradiation light, and has a narrow peak having a different wavelength depending on the shape of the molecule of the substance. The wavelength of the Raman scattered light varies depending on the shape of the molecule of the substance. Therefore, for example, the wavelength of Raman scattered light is different between a polymer film such as an MEA of a fuel cell and a catalyst layer formed thereunder. Since the half width of the spectrum of the Raman scattered light is narrow, it is easy to discriminate the Raman scattered light of the polymer film from the Raman scattered light of the catalyst layer.
ADVANTAGE OF THE INVENTION This invention can detect the pinhole which generate | occur | produced in the transparent or translucent film formed on the non-transparent film with high sensitivity based on the light quantity near the peak wavelength of Raman scattering light.
According to the present invention, even when a catalyst layer formed below a polymer film such as a MEA of a fuel cell emits fluorescence when irradiated with ultraviolet light, a pinhole of the polymer film to be inspected is formed. Can be detected.
[0016]
Further, the irradiation light is X-rays, and only X-rays having a wavelength near a wavelength at which the intensity of fluorescent X-rays generated by the reaction of the inspection target with the X-rays reaches a peak are received.
When a certain kind of organic substance (for example, a polymer film such as a perfluorosulfonic acid film) is excited by X-rays, it generates strong reaction light that is fluorescent X-rays. On the other hand, the catalyst layer formed below the polymer film in the MEA or the like of the fuel cell does not emit fluorescent X-rays even when irradiated with X-rays. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can detect, with high sensitivity, pinholes generated in a polymer film formed on a catalyst layer, for example, in a process of manufacturing an MEA for a fuel cell.
[0017]
Further, a predetermined material is applied on the base to form an anode catalyst layer, and another predetermined material is applied thereon to form a polymer film, and the presence or absence of pinholes in the polymer film is inspected. A method for producing a membrane electrode assembly, characterized in that a cathode catalyst layer is formed by applying another predetermined material thereon only when judged as non-defective by the inspection.
[0018]
According to the present invention, since the yield of the completed MEA is extremely good, the rate of repairing the stack due to poor characteristics after the completion of the stack is greatly reduced. The present invention realizes an MEA production method that has a good yield and can reduce the number of repair steps in a later process by a coating method. According to the production method of the present invention, an inexpensive fuel cell can be realized.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments that specifically illustrate the best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0020]
<< Embodiment 1 >>
Hereinafter, a pinhole detection device, a pinhole detection method, and a MEA production method according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a pinhole detection device according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, 2 is a polymer film, 1 is a pinhole formed in the polymer film 2, 3 is a catalyst layer, 4 is a base film, 5 is an illumination light source, 6 is an illumination wavelength filter, 7 is a projection lens, 8 Is illumination light output from the illumination light source 5, 9 is light having a shifted wavelength, 10 is a light receiving lens, 11 is a light receiving wavelength filter, 12 is an optical sensor, 13 is a pinhole detector, 14 is a monitor television, and 15 is a controller. , 16 are an X-axis drive unit, 17 is a Y-axis drive unit, 18 is a work chuck, 19 is an X-axis, and 20 is a Y-axis.
[0021]
The inspection object (the polymer membrane 2, the catalyst layer 3, and the base film 4) is in the middle of the process of manufacturing the MEA of the fuel cell. A method for producing an MEA according to the present embodiment will be described. First, a predetermined material is applied on the base to form the anode catalyst layer 3 having a thickness of 15 μm. The catalyst layer 3 is a black, non-transparent substance obtained by mixing a catalyst such as platinum with a conductor such as carbon. Next, another predetermined material is applied on the catalyst layer 3 to form the transparent or translucent polymer film 2 having a thickness of 30 μm. The polymer film 2 is a transparent substance such as a perfluorosulfonic acid film. In the state thus formed, whether or not the polymer film 2 has a pinhole is inspected by a pinhole detection method described below. The polymer film 2, the catalyst layer 3, and the base film 4 shown in FIG. 1 are those at the time when the formation of the polymer film is completed. Only when it is determined in the inspection that there is no pinhole having a predetermined threshold value or more in the polymer film 2, another predetermined material is applied thereon to form a cathode catalyst layer. In this way, MEA is produced at a high yield by the coating method.
Here, the “predetermined threshold” is an arbitrary value. For example, the threshold is a threshold for the size of one pinhole. The threshold may be a fixed threshold or a floating threshold. For example, a pass / fail judgment may be made by applying a predetermined threshold value to the result of differentiating the image.
[0022]
Returning to the description of FIG. The work chuck 18, the X axis 19, and the Y axis 20 are included in the inspection stage. The control unit 15 controls the X-axis drive unit 16 and the Y-axis drive unit 17 to drive the work chuck 18 of the inspection stage in the X-axis direction and the Y-axis direction. The work chuck 18 of the inspection stage mounts the base film 4 on which the catalyst layer 3 and the polymer film 2 to be inspected are formed.
[0023]
The pinhole detection device and the pinhole detection method according to the present embodiment have an object to detect a pinhole 1 of about 1 μm existing in a polymer film 2 to be inspected.
Of the light emitted from the illumination light source 5 which is a mercury lamp, the illumination wavelength filter 6 passes only ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or less. The light that has passed through the illumination wavelength filter 6 is condensed by a light projecting lens 7 and illuminated as illumination light 8 onto an inspection object. The illumination light 8 is an area illumination for irradiating a wider range than the inspection visual field described later.
The illumination light 8 applied to the inspection object excites the inspection object, and changes into fluorescence 9 whose wavelength is shifted to a longer wavelength side. The fluorescent light 9 is collected by the light receiving lens 10. The light-receiving wavelength filter 11 transmits only light having a wavelength of 320 nm to 430 nm among the fluorescent light 9 collected by the light-receiving lens 10. The optical sensor 12 receives light that has passed through the light receiving lens 10.
The optical sensor 12 converts the fluorescence that has passed through the light-receiving wavelength filter 11 into an electrical detection signal and outputs the signal to the pinhole detector 13. The optical sensor 12 according to the embodiment is an area CCD.
[0024]
In the first embodiment, the size of the inspection object is 100 mm × 100 mm. The pinhole detection device needs to inspect the entire surface of the inspection object.
In order to detect the pinhole 1 of 1 μm, the pixel resolution is set to 1 μm. The optical sensor 12 has a size of 2000 pixels × 2000 pixels, and the inspection visual field size is set to 2 mm × 2 mm.
As shown in FIG. 3, the control unit 15 moves the inspection object at a pitch of the inspection visual field size. The optical sensor 12 inputs an image, and the pinhole detection unit 13 performs image processing on 2500 visual fields.
[0025]
The electronic shutter function of the optical sensor 12 is used to speed up the pinhole inspection. Instead of the optical sensor 12 inputting an image after the control unit 15 stops the X-axis driving unit 16 for each field of view, the X-axis driving unit 16 moves the inspection target at a constant speed in the X-axis direction. The optical sensor 12 continuously inputs an image in a state where the electronic shutter function is operated, and the pinhole detection unit 13 processes the input image. When moving the inspection object by one field of view in the Y-axis direction, the optical sensor 12 inputs an image after the control unit 15 stops the Y-axis driving unit 17. That is, the inspection object is scanned relatively to the inspection visual field in the X-axis direction and the Y-axis direction. In the embodiment, when the pinhole detection unit 13 completes the image processing within 0.05 seconds, the pinhole detection device can perform an inspection in 0.05 seconds per 2 mm × 2 mm visual field. As shown in FIG. 3, while the X-axis driving unit 16 moves the inspection target at a speed of 40 mm / sec in the X-axis direction in the main scanning direction, the optical sensor 12 operates every 0.05 seconds for 0.0001 seconds. Input an image with the electronic shutter. The pinhole detection device can complete the inspection of the entire surface of the inspection object in 125 seconds.
[0026]
The pinhole detector 13 includes an A / D converter 131, an image processor 132, an image determiner 133, and an image generator 134. The pinhole detector 13 detects whether or not there is a pinhole in the polymer film by a method described below, and outputs a detection result. In the first embodiment, pinhole detector 13 is a personal computer.
The A / D converter 131 converts an output signal of the optical sensor 12 into a digital signal. The image processing unit 132 and the image determination unit 133 are functions executed by the CPU by software. The image processing unit 132 creates a bright and dark image corresponding to the intensity (light amount) of the fluorescence received by the optical sensor 12 for each visual field, and outputs the bright and dark image to the image determining unit 133.
The image determining unit 133 determines the location and size of the pinhole 1 based on the bright and dark images for each visual field corresponding to the intensity of the fluorescence created by the image processing unit 132.
[0027]
The image generation unit 134 generates an image indicating the location and size of the pinhole 1 for each inspection visual field. The monitor television 14 displays this image. FIG. 2 shows an example of an image generated by the image generation unit 134.
The portion where the pinhole 1 exists is dark because no fluorescence is generated. The image determining unit 133 detects the darkened portion by image processing. For example, the location and size of the pinhole 1 can be calculated by extracting a region where the amount of light received by the optical sensor 12 is less than a predetermined threshold and calculating the area and the center of gravity by labeling. The operator can check each image on the monitor TV 14 or display another screen on the monitor TV 14 during maintenance for convenience. The image determination unit 133 may automatically determine the quality of the inspection target based on the size of the pinhole 1.
[0028]
The light receiving wavelength filter 11 will be described. The light receiving wavelength filter 11 is a filter that passes only light having a wavelength of 320 nm to 430 nm. The reason will be described with reference to FIG.
The graph in FIG. 4 is data obtained by irradiating the polymer film 2 and the catalyst layer 3 with ultraviolet light having a wavelength of 280 nm as excitation light and measuring the respective spectral characteristics using a spectrophotometer. The polymer film 2 or the catalyst layer 3 emits light shifted to a longer wavelength side than the excitation light in response to the excitation light. FIG. 4 shows the spectral intensity of light emitted from the polymer film 2 and the catalyst layer 3. The polymer film 2 has a light intensity peak at 367.6 nm. On the other hand, the catalyst layer 3 has a small amount of light in the entire wavelength range. Therefore, when the wavelength is around 367.6 nm, the difference in the amount of light between the portion where the polymer film 2 exists and the portion where the pinhole 1 is formed is clear.
[0029]
As shown in FIG. 4, if only the light having a wavelength of 367.6 nm, which is the peak of fluorescence, is extracted by the light receiving wavelength filter 11, the portion where the polymer film 2 exists at a high S / N ratio and the pinhole 1 It is possible to discriminate a certain portion where the polymer film 2 does not exist. Based on this, the light-receiving wavelength filter 11 is a filter that passes only light having a wavelength of 320 nm to 430 nm as shown by hatching in FIG. Since the pass band of the light-receiving wavelength filter 11 does not include the wavelength of the excitation light (280 nm), a portion where the polymer film 2 exists at a higher S / N ratio and a portion where the polymer film 2 which is the pinhole 1 does not exist. And can be distinguished.
If the light-receiving wavelength filter 11 is not used, the S / N ratio decreases, and the detection performance decreases. When the pinhole is inspected by simply irradiating the inspection object with the white light without using the fluorescent light and inspecting the pinhole based on the intensity of the reflected light, the brightness depends on the unevenness of the surface of the polymer film 2 and the presence or absence of the pinhole 1. Light / dark cannot be separated, and pinhole 1 cannot be detected.
[0030]
Next, the reason why ultraviolet light (wavelength = 280 nm) is selected as the excitation light and the illumination wavelength filter 6 will be described. The fluorescence intensity from the polymer film 2 was measured by the above-described spectrophotometer while changing the wavelength of the excitation light. As a result, it was found that the shorter the wavelength, the higher the fluorescence intensity. A mercury lamp is a short-wavelength light source that can be obtained at relatively low cost, and the shortest wavelength peak of the mercury lamp is 280.4 nm. Therefore, the illumination wavelength filter 6 is a filter that passes only light having a wavelength of 300 nm or less, and illuminates the inspection object with ultraviolet light having a peak at 280.4 nm.
[0031]
In the present embodiment, the inspection object is a state in which the polymer film 2 is formed on the catalyst layer 3, but the inspection can be performed with a single polymer film.
On the detection principle, there is a correlation between the amount of the polymer film 2 and the amount of fluorescent light. Using the density data of the bright and dark images output by the image determination unit 133, not only the pinhole 1 but also the bubbles inside the polymer film 2 in which the amount of the polymer film 2 fluctuates, and the thickness of the polymer film 2 Unevenness and the like can also be detected.
In the present embodiment, the incident light source is an area illumination, and the optical sensor 12 is an area CCD. However, the object to be inspected is determined by using a combination of a line illumination and a line CCD or a combination of a point illumination and a point light receiving element such as a photomultiplier. May be scanned.
The method of detecting the pinhole 1 by image processing may be a floating threshold instead of a fixed threshold. Further, a differentiation process may be used.
[0032]
The MEA is manufactured by using the polymer membrane 2 in which the pinhole inspection of the polymer membrane for the fuel cell is performed by the method described in this embodiment and the pinhole 1 having a diameter of 1 μm or more is not present. I do. Thereby, the non-defective rate of the MEA can be greatly improved. As compared with a case where a defect of a polymer film is found in a later step, a man-hour loss in production can be greatly reduced.
[0033]
<< Embodiment 2 >>
Hereinafter, a pinhole detection device, a pinhole detection method, and a MEA production method according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 5, and 6. FIG. The overall configuration of the pinhole detection device of the present embodiment is the same as the overall configuration of the pinhole detection device of the first embodiment shown in FIG. Hereinafter, only different parts will be described.
The pinhole detection device according to the second embodiment is different from the first embodiment only in the illumination light source 5, the illumination wavelength filter 6, and the light reception wavelength filter 11. The illumination light source 5 according to the second embodiment is a halogen lamp, and the illumination wavelength filter 6 is a filter that passes only light having a wavelength of 745 nm to 755 nm. The inspection object is irradiated with visible light having a wavelength band of 745 to 755 nm as the illumination light 8. The light receiving wavelength filter 11 is a filter that passes only light having a wavelength of 780 nm to 840 nm.
[0034]
The reason for such a configuration and the advantages compared to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
In the first embodiment, the catalyst layer 3 is a black non-transparent substance in which a catalyst such as platinum is mixed in a conductor such as carbon, and when excited by ultraviolet light, the light emission is as shown in FIG. Was small enough. However, the catalyst layer 3 is an important factor influencing the performance of the fuel cell, and has been improved. The main point of improvement is to change the raw materials of the catalyst and the conductor. When the raw material of the catalyst layer 3 is changed, the raw material may generate strong fluorescence.
As shown in the catalyst 2 in FIG. 5, the catalyst layer 3 may generate an amount of fluorescent light close to the amount of light emitted from the polymer film 2. In the characteristics of FIG. 5, it is difficult to discriminate the polymer film 2 from the pinhole 1 where the polymer film 2 does not exist. In this case, it is difficult to detect a pinhole with the method of the first embodiment.
[0035]
As a phenomenon in which a substance reacts with excitation light and the wavelength of light shifts to a longer wavelength side, there is a phenomenon called Raman scattering, apart from fluorescence. A characteristic of Raman scattering is that a peak of light emission appears in a narrow wavelength range inherent to a substance, not in a wide wavelength range like fluorescence. Generally, Raman scattering is likely to occur when the wavelength of the excitation light is equal to or longer than visible light.
[0036]
The graph in FIG. 6 is data obtained by irradiating the polymer film 2 and the catalyst layer 3 with visible light having a wavelength of 750 nm as excitation light and measuring the respective spectral characteristics using a spectrophotometer.
In the graph of FIG. 6, the data of the polymer film 2 is an actually measured value, and the data of the catalyst layer 3 is a predicted value. In the case of Raman scattering, since it is impossible in principle that another substance has a peak at the same place, as shown in the figure, it has a peak at a place where the wavelength is different.
Therefore, as shown in FIG. 6, by using the light receiving wavelength filter 11 that passes only light having a wavelength of 780 nm to 840 nm, the polymer film 2 and the pinhole 1 where the polymer film 2 does not exist can be provided. Can be discriminated at a high S / N ratio.
According to the method of the second embodiment, the raw material of the catalyst layer 3 is changed for the purpose of improvement, and even when the catalyst layer 3 generates a slightly stronger fluorescence due to ultraviolet light, the pinhole 1 existing in the polymer film 2 is reliably detected. It is possible to do.
[0037]
In the present embodiment, a halogen lamp is used as the illumination light source 5 for the purpose of cost reduction, but a laser may be used. When a laser is used, the wavelength range of the light source itself is narrow, so that the illumination wavelength filter 6 may not be necessary.
In the present embodiment, 750 nm is used as the wavelength of light emitted from the illumination light source 5 through the illumination wavelength filter 6. Since Raman scattering occurs from visible light to near infrared light, the illumination wavelength may be visible light (about 400 nm to about 750 nm) or near infrared light (wavelength is about 750 nm to about 2500 nm). When the illumination wavelength is changed, the pass band of the light receiving wavelength filter 11 needs to be changed accordingly.
[0038]
The MEA is manufactured by using the polymer membrane 2 in which the pinhole inspection of the polymer membrane for the fuel cell is performed by the method described in this embodiment and the pinhole 1 having a diameter of 1 μm or more is not present. I do. Thereby, the non-defective rate of the MEA can be greatly improved. As compared with a case where a defect of a polymer film is found in a later step, a man-hour loss in production can be greatly reduced.
[0039]
<< Embodiment 3 >>
Third Embodiment A pinhole detection device, a pinhole detection method, and a MEA production method according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a pinhole detection device according to the third embodiment. In FIG. 7, the same blocks as those of the pinhole detection device of the first embodiment are denoted by the same reference numerals. Description of the same blocks as in the first embodiment will be omitted, and only different blocks will be described. The difference from the first embodiment is that an X-ray source 71 is provided in place of the illumination light source 5, the illumination wavelength filter 6, and the light projecting lens 7 in the first embodiment. The point is that a line filter 72, an X-ray scintillator 73, and a CCD camera 74 are provided.
[0040]
When a substance is irradiated with X-rays, part of the X-rays absorbed by the substance is emitted as fluorescent X-rays having specific energy (wavelength) depending on the type of each element. This fluorescent X-ray is visualized by the X-ray scintillator 73 and detected by the CCD camera 74. The wavelength of the fluorescent X-ray is a value unique to the substance. In the pinhole detection device according to the third embodiment, the presence or absence of a pinhole is detected by installing an X-ray filter 72 that allows only the wavelength range unique to this substance to pass therethrough, in front of the X-ray scintillator 73, and Output as an image.
[0041]
The advantage of inspecting a pinhole using X-rays will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating spectral characteristics when continuous X-rays are irradiated on the polymer film 2 and the catalyst layer 3. Due to the polymer film 2, fluorescent X-rays having a sharp peak near the wavelength of about 0.3 ° are generated. An X-ray filter 72 that allows fluorescent X-rays of this wavelength to pass therethrough is manufactured and installed from a metal such as nickel. The pinhole detector 13 receives image data detected by the CCD camera 74 and detects a pinhole. With this configuration, it is possible to discriminate the polymer film 2 from the pinhole 1 where the polymer film 2 does not exist at a high S / N ratio.
[0042]
The MEA is manufactured by using the polymer membrane 2 in which the pinhole inspection of the polymer membrane for the fuel cell is performed by the method described in this embodiment and the pinhole 1 having a diameter of 1 μm or more is not present. I do. Thereby, the non-defective rate of the MEA can be greatly improved. As compared with a case where a defect of a polymer film is found in a later step, a man-hour loss in production can be greatly reduced.
[0043]
In the above embodiment, pinhole detection of the polymer membrane of the MEA of the fuel cell manufactured by the coating method was performed. The application object of the present invention is not limited to this. For example, a transparent or translucent polymer film may be inspected in a single state, and a pinhole existing there may be detected. In this case, the light source and the light receiving unit may be arranged on the same side with respect to the transparent or translucent polymer film to be inspected, or the light source and the light receiving unit may be transparent or semi-transparent to be inspected. A configuration in which a transparent polymer film is interposed may be used. The inspection object may be non-transparent as long as the loss of the substance can be detected by any of the above methods.
The present invention is also applicable to detecting a pinhole in a thin film formed on the surface of a thick object.
In the embodiment of the present invention, the test object is a polymer film. However, the present invention is not limited to this. A single thin film or a multilayer film may be used.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the pinhole detection method of the present invention, the film is irradiated with light that reacts with the constituent material of the film to be inspected as irradiation light, and the film is generated in response to the light. Of the light, only light in a specific wavelength range is detected, and a pinhole is inspected based on the detected light amount.
According to the present invention, there is obtained an advantageous effect that a pinhole detecting device and a pinhole detecting method capable of accurately detecting a pinhole of several μm generated in a polymer film can be realized.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the advantageous effect that several micrometers pinhole which exists in the film | membrane of the transparent or translucent test object existing on a non-transparent film | membrane can be detected accurately.
[0045]
According to the present invention, there is obtained an advantageous effect that a MEA production method by a coating method can be realized in which the number of repair steps in a subsequent step is significantly reduced. According to the present invention, an inexpensive fuel cell can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a pinhole detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an image including a pinhole output by the pinhole detection device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an operation of inspecting the entire surface of the inspection object by the pinhole detection device according to the first embodiment of the present invention
FIG. 4 is a graph showing a wavelength distribution of fluorescence emitted when a polymer film and a catalyst are irradiated with ultraviolet light.
FIG. 5 is a graph showing a wavelength distribution of fluorescence emitted when a polymer film and two kinds of catalysts are irradiated with ultraviolet light.
FIG. 6 is a graph showing a wavelength distribution of Raman scattering generated when a polymer film and a catalyst are irradiated with visible light.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a pinhole detection device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing a fluorescent X-ray wavelength distribution generated when the polymer film and the catalyst are irradiated with X-rays.
[Explanation of symbols]
1 Pinhole
2 Polymer film
3 catalyst layer
4 Film base
5 Illumination light source
6. Illumination wavelength filter
7 Floodlight lens
8 Illumination light
9 Light generated by substances
10 Receiving lens
11 Reception wavelength filter
12 Optical sensor
13 Pinhole detector
14 Monitor TV
15 Control unit
16 X axis drive unit
17 Y axis drive unit
18 Work chuck
19 X axis
20 Y axis
71 X-ray source
72 X-ray filter
73 X-ray scintillator
74 CCD camera
132 Image processing unit
133 Image judgment unit

Claims (8)

高分子膜に照射光を照射し、
前記高分子膜から発生した光のうち特定の波長の光のみを受光し、
前記受光した光の光量に基づいて、前記高分子膜のピンホールの有無を検出することを特徴とするピンホール検出方法。
Irradiating the polymer membrane with irradiation light,
Receives only light of a specific wavelength out of the light generated from the polymer film,
A pinhole detection method, wherein the presence or absence of a pinhole in the polymer film is detected based on the amount of the received light.
検査対象物に紫外光を照射し、
前記検査対象物が前記紫外光に反応して発生する蛍光の光量がピークとなる波長付近の波長の光のみを受光し、
前記受光した光の光量に基づいて、前記検査対象物のピンホールの有無を検出することを特徴とするピンホール検出方法。
Irradiate the inspection object with ultraviolet light,
The inspection object receives only light having a wavelength near the wavelength at which the amount of fluorescence generated in response to the ultraviolet light reaches a peak,
A pinhole detection method, wherein the presence or absence of a pinhole in the inspection object is detected based on the amount of the received light.
検査対象物に可視光を照射し、
前記検査対象物が前記可視光によりラマン散乱をおこすことにより発生する光の光量がピークとなる波長付近の波長の光のみを受光し、
前記受光した光の光量に基づいて、前記検査対象物のピンホールの有無を検出することを特徴とするピンホール検出方法。
Irradiate the inspection object with visible light,
The inspection object receives only light having a wavelength near a wavelength at which the amount of light generated by causing Raman scattering by the visible light becomes a peak,
A pinhole detection method, wherein the presence or absence of a pinhole in the inspection object is detected based on the amount of the received light.
検査対象物にX線を照射し、
前記検査対象物が前記X線に反応することにより発生する蛍光X線の強度がピークとなる波長付近の波長のX線のみを受光し、
前記受光したX線に基づいて、前記検査対象物のピンホールの有無を検出することを特徴とするピンホール検出方法。
Irradiating the inspection object with X-rays,
The inspection object receives only X-rays having a wavelength near a wavelength at which the intensity of the fluorescent X-ray generated by the reaction with the X-ray becomes a peak,
A pinhole detection method, wherein the presence or absence of a pinhole in the inspection object is detected based on the received X-rays.
検査対象物が燃料電池用の高分子膜であることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれかの請求項に記載のピンホール検出方法。5. The pinhole detecting method according to claim 2, wherein the inspection object is a polymer film for a fuel cell. 前記高分子膜がパーフルオロスルホン酸膜であることを特徴とする請求項1又は請求項5に記載のピンホール検出方法。The pinhole detection method according to claim 1, wherein the polymer film is a perfluorosulfonic acid film. 前記照射光、前記紫外光、前記可視光又は前記X線を前記検査対象物又は前記高分子膜に対して相対的に走査することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載のピンホール検出方法。7. The method according to claim 1, wherein the irradiation light, the ultraviolet light, the visible light, or the X-ray is scanned relative to the inspection object or the polymer film. Pinhole detection method. ベース上に所定の材料を塗布してアノード触媒層を生成し、
その上に他の所定の材料を塗布して高分子膜を生成し、
前記高分子膜のピンホールの有無を請求項1から請求項7のいずれかに記載のピンホール検出方法で検査し、
前記検査で良品と判定された場合にのみ、その上に別の所定の材料を塗布してカソード触媒層を生成することを特徴とするメンブレインエレクトロードアッセンブリの生産方法。
A predetermined material is applied on the base to form an anode catalyst layer,
A polymer film is formed by applying another predetermined material thereon,
The presence or absence of a pinhole in the polymer film is inspected by the pinhole detection method according to any one of claims 1 to 7,
A method for producing a membrane electrode assembly, characterized in that a cathode catalyst layer is formed by applying another predetermined material thereon only when judged as non-defective by the inspection.
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