JP2005310790A - 膜電極接合体内の短絡の検出及び位置確認のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 膜電極接合体内の短絡の検出及び位置確認のための装置及び方法を提供する。
【解決手段】 装置は、膜電極接合体（ＭＥＡ）内の短絡の非破壊的検出及び位置確認のために提案され、該装置は、以下の構成要素、（ａ）ＭＥＡを保持し配置するための標本保持具と、（ｂ）ＭＥＡに電圧が印加されるようにＭＥＡとの電気的接触を形成する手段と、（ｃ）本体からの熱放射を介して位置分析データを検出する手段と、を含み、該手段は、標本保持具から事前に決定可能な一定の距離を置いて配置されるようにすることが可能であり、検出データを評価する手段との電気的接触を形成可能である。さらに、この装置の使用法に加えて、膜電極接合体内の短絡の非破壊的検出及び位置確認の方法が提案される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、膜電極接合体内の短絡の検出及び位置確認のための装置に関し、該装置を用いて、こうした短絡が非破壊的に検出されるようにすることが可能である。さらに本発明は、この装置の使用法及びこうした短絡の非破壊的検出の方法に関する。

こうした装置、方法、及び使用法は、商業的に、例えば、電気化学的電池用構成要素の材料試験の技術的分野において、使用してもよい。

基本的に、電気化学電池は、電解槽とガルヴァーニ要素とにさらに細分される。自発的電気化学反応は、ガルヴァーニ要素の電極で発生し、電流が生成され、一方でこれらの反応は、電解槽内で電流の供給に伴って必然的に逆行する。

燃料電池は、ガルヴァーニ要素の特別のタイプである。燃料電池はエネルギー変換用の装置であり、この装置は、燃料内に蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーへ極めて効率良く変換する。この場合に発生する電気化学的反応に必要な反応物質は、燃料電池へ継続的に別々に供給される。反応生成物は同様に変換され、継続的に搬出される。燃料電池自体、さらに様々なタイプに細分可能である。例えば、燃料電池は、その電解質の形式によって、リン酸型燃料電池（略してＰＡＦＣ）と、アルカリ型燃料電池（略してＡＦＣ）と、固体酸化物型燃料電池（略してＳＯＦＣ）と、溶融炭酸塩型燃料電池（略してＭＣＦＣ）と、高分子電解質膜型燃料電池（略してＰＥＭＦＣ）、とに分類される。

ガルヴァーニ要素及び電解槽は両方とも、数多くの同一又は少なくとも類似の構成要素を有する。以下の記述においてＰＥＭＦＣの例を使用して本発明を説明する。

ＰＥＭＦＣの基本構成は以下の通りである。ＰＥＭＦＣは、膜電極接合体（略してＭＥＡ）を含み、それはアノードと、カソードと、それらの間に電解質として配置されたＰＥＭとから形成される。ＭＥＡ自体は、２つのセパレータ板の間に配置され、一方のセパレータ板は通常燃料分配用の導管を有しており、他方のセパレータ板は酸化剤分配用の導管を有しており、導管はＭＥＡに面している。これらの電極、アノード及びカソードは、一般にガス拡散電極（略してＧＤＥ）の形をしている。これらは、電気化学反応（例えば、２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ）の際に生成される電流であって、反応物質、抽出物及び生成物の拡散を可能にする電流を取り去る機能を有する。ＧＤＥは、少なくとも１つのガス拡散層（略してＧＤＬ）を備える。触媒層はＧＤＥとＰＥＭとの間に配置され、その上で電気化学反応が起こる。ＰＥＭＦＣは、当業者に基本的に知られている別の構成要素、例えば冷却手段、密閉手段、ポート等、を有していてもよい。

燃料及び酸化剤は、反応物質として使用される。ガス状反応物質は一般に、例えば燃料としてはＨ_２又はＨ_２含有ガス（例えば改質ガス）、酸化剤としてはＯ_２又はＯ_２含有ガス（例えば空気）が使用される。反応物質という表現は、電気化学反応に関与する全ての物質を意味し、すなわちＨ_２Ｏのような反応生成物を含む。

燃料電池の適正な運転のためには、その電極領域（カソード領域とアノード領域）は互いに流体的に絶縁されていることが重要であり、直接な電気的接触があってはならない（アノードとカソードとはもちろん回路が閉じている場合、導電体を介して互いに間接的に接触しているが、この場合はこのことを意味するわけではない）。しかし、例えば製造段階の過失による結果として、アノードとカソードとが電気的に接触すると、好ましくない電気的短絡回路（略して短絡）をもたらす可能性があり、関連する燃料電池の運転にとって非常に重大な悪影響を及ぼす可能性がある。この観点から特に重要な構成要素の一つは、ＭＥＡであり、その機能としてアノードとカソードとの電気的絶縁を含む。あいにく、ＭＥＡは極めて脆弱な構造でもあり、燃料電池に取り付けられる際に損傷され易く、従って短絡を許してしまう。ＰＥＭＦＣの信頼性に関して、これがＰＥＭＦＣの頻繁な機会における商業的利用を現在妨げている側面であり、こうした短絡を簡単な手段を用いて簡単な方法で信頼性を持って検出可能にすることが求められている。

しかし、ＭＥＡがその工程において損傷又は破壊されることなく、ＭＥＡ内のこうした短絡が簡単な方法で信頼性を持って見つけられることが可能になる、すなわち検出及び位置確認されることが可能となる、装置及び方法は、これまでのところ知られていない。

よって本発明の一つの目的は、ＭＥＡ内の短絡の非破壊的検出及び位置確認のための装置を提供することである。

本発明の別の目的は、ＭＥＡ内の短絡が非破壊的に検出及び位置確認されることが可能となる方法を特定することである。

本発明の別の目的は、ＭＥＡ内の短絡の非破壊的検出及び位置確認のための装置の使用法を提案することである。

従って本発明の第１の主題は、膜電極接合体（ＭＥＡ）内における短絡の検出及び位置確認のための装置であって、この装置は、
標本、本例の場合は好ましくはＭＥＡである標本、を保持し配置するための標本保持具と、
ＭＥＡに電圧が印加されるように、ＭＥＡとの電気的接触を形成する手段と、
本体からの熱放射を介して位置分析データを検出する手段とを備えており、該手段は、標本保持具から事前に決定可能な一定の距離を置いて配置されるようにすることが可能であり、検出データを評価する手段との電気的接触を形成可能である。

本発明は、短絡の領域に配置されたＭＥＡの領域は、ＭＥＡに電圧が印加される際、基本的には周囲温度であるＭＥＡの平均的熱放射とは異なる、より多くの熱放射を放出するという観察に基づいている。こうした短絡は、従って、本体からの熱放射に関する位置分析データを検出するための適切な手段によって検出されることが可能であり、換言すれば、標本すなわちＭＥＡがその工程において損傷されることなく検出及び位置確認されるようにすることが可能である。

標本保持具が目盛りを有する場合、短絡の位置確認は極めて容易であり、ＭＥＡがこの目盛りに対して規定された方法で配置されるようにすることも可能である。これにより、ＭＥＡ内の短絡の座標は、目盛りによって簡単な方法で読み取られることが可能となる。この目盛りは、この場合、例えば互いに直角に配置された、２つ以上の目盛り要素で構成されてもよい。

ＭＥＡ内の短絡は、目盛りが電磁スペクトルの赤外線域において判読可能であると、さらに容易に位置確認されることが可能になる。この場合、目盛りは、例えば赤外線画像上で見られるようにすることも可能であり、短絡の座標は、目盛りを使用して視覚的に簡単な方法で測定されるようにすることも可能である。この場合、目盛りは、４００ｎｍ〜１２μｍの電磁放射線の波長域内で判読可能であることが好ましい。

さらに、ＭＥＡとの電気的接触を形成する手段は、ＭＥＡに導電的に締め付けられることが可能な端子を、少なくとも１つ、好ましくは２つ有すると有利である。これにより、この手段は、ＭＥＡに簡単な方法で取り付けられ、再び取り外されることが可能となる。その結果、短絡の試験用の標本の用意が特に簡単になる。

同様に有利な別の選択肢として、電気的接触を形成する磁石の使用がある。この場合、２つの磁石は、好ましくはＭＥＡの両面に互いに反対側に配置され、それによって機械的な力によって、規定された機械的接触力が接触点に生成される。

さらに同様に有利な別の選択肢の場合、電気的接触を形成する手段は、例えば、ＭＥＡに対して中身が押し付けられることが可能なロボットの腕のような、機械的装置でもよい。

電気的接触を形成する手段の導電性を向上させるために、少なくとも１つの手段は、導電性の高い物質で被覆されてもよい。この場合、この手段とＭＥＡとの間の接触面のみ被覆すれば十分であり得る。

適切な被覆は、例えば、金、銀、その他の貴金属、炭素など、又はそれらの組み合わせ、で構成される。この場合、主要な要因は、品質及び長期的接触及び／又は表面の伝導性である。これにより、例えば端子とＭＥＡとの接触点間において、結果的に熱は生成されないか又はごく僅かな熱しか生成されないという利点を有する。その一方で、接触点領域内にある短絡は、そこで生成された熱では隠れたままとなる可能性があり、従って見過ごされる可能性がある。

本発明の目的のためには、熱撮像装置としては、熱赤外線撮像装置と、特に赤外線カメラとを備えた、位置分析データを検出するのに特に適した手段が好ましいことが確認されている。位置分析は多くの利点を有する。例えば、故障の位置の認識は、製造に関して直接的結論が引き出されることを可能にし、これによって、製造を最適化しかつ故障を防ぐための対策がとられるようにすることも可能である。別の対策として、故障箇所が具体的に修理される又は再処理されるようにすることも可能であり、よってスクラップを削減又は回避することが可能となり、よってコストを節減することが可能となる。本発明による装置又は好適な装置を使用して、その後も点検を繰り返すと、とられた対策が適正であったかどうかを判断することが可能となる。さらに、この装置は、短絡の発生に関する設計変更又は工程変更の効果を、素早く確認することも可能にする。これにより、ＭＥＡの構成要素及びその生産方法のより速いより効率的な開発が可能となる。

この場合、位置分析及び時間分析データを検出する手段は、写真撮像データ検出が可能となるよう構成されることが好ましい。写真撮像の利点は、例えば、高度な情報内容である。これによって、例えば、故障の位置、程度、数及び強度（短絡の導電性）を測定する装置の使用が可能となる。

特に画像のデジタルデータ検出に関して、この装置が、自動化され標準化された試験手順を実施するのに使用されるようにすることも可能で、この試験手順は生産に組み込まれるようにすることも可能である。故障は、数量化され、分類され、さらに統計的に評価されるようにすることも可能である。

この場合、位置分析データを検出する手段は、さらに時間分析データも検出できるように構成されることも好ましい。この利点の一つは、故障の正確な位置確認を行う装置を使用できることである。さらに、故障及び故障の原因が一層容易に分類されるようにすることも可能である。

時間分析データは、例えば、観察される工程の速度に適合した特定の時間間隔（期間）でデータを検出するように、位置分析データを（この場合は時間分析データも）検出する手段が構成されることで、検出されるようにしてもよい。その結果、全てのデータは、時間分析を測定する期間の長さによって、特定の期間に関連付けされるようにすることが可能となる。ここで、「フレーム繰り返し率」という表現は、例えば、一秒当たりのデータ検出工程の回数を示すのに使用される。フレーム繰り返し率は現在技術的に何が実現可能かによって制約されるが、この場合、できるだけ高いフレーム繰り返し率が好ましい。ここでは、少なくとも１０Ｈｚ、好ましくは少なくとも５０Ｈｚ、さらに好ましくは少なくとも９０Ｈｚ、また特に少なくとも１３０Ｈｚのフレーム繰り返し率が適している。

位置分析データを検出する手段は、データ検出がリアルタイムで、特に好ましくはリアルタイムの赤外線画像データ検出によって、実施されるように構成されることが可能であると特に有利である。これにより、例えば、故障を修正又は修理するのに使用される対策を測定中に稼動状態で実施、最適化、及び点検及び文書化することが可能となる。

なお、サーモセンサリック社（Ｔｈｅｒｍｏｓｅｎｓｏｒｉｃ ＧｍｂＨ）の赤外線カメラ、例えばＣＭＴ３８４Ｍ赤外線カメラは、この目的に特に適していることが確認されている。

本発明の第２の主題は、膜電極接合体（ＭＥＡ）内における短絡の検出及び位置確認のための方法であって、この方法は、
標本保持具上にＭＥＡを配置するステップと、
本体からの熱放射を介して位置分析データを検出する手段を標本保持具から所定の距離をおいて配列するステップと、
ＭＥＡに電圧を印加するステップと、
ＭＥＡについての位置分析データを検出するステップと、
検出データの評価をおこなうステップと
を含む方法である。

この方法により、ＭＥＡがその工程で損傷又は破壊されることなく、ＭＥＡ内の短絡を簡単な方法で熱放射を用いて検出することが可能になる。

この場合印加される電圧は、もちろん、短絡の位置で生成される熱がそこでＭＥＡが損傷される程大量となるくらい高い電圧であってはならない。位置分析データを検出するための現在市販されている手段を用いて、ごく僅かな温度差が検出されることが可能なので、このような方法で短絡を検出するには基本的にごく僅かな電圧で十分である。当業者は、日頃の試行錯誤によって適切な電圧を決定することに何の問題もないであろう。

特に、現在検出可能な温度差は、例えば、０．０１〜０．０３℃の範囲である。適切な電圧は、検出される短絡の性質及び調査される構成要素のそれぞれの破壊限界に依る。電極装置の場合、通常は、０．１〜２０Ｖの範囲であり、ＭＥＡの場合は特に０．１〜５Ｖの範囲である。電圧は時間を通じて一定であっても良く、又は変化しても良い。特に、電圧パルス、例えば、方形波、三角波、針状など、又はそれらの組み合わせを使用することも可能である。これは、印加される電圧が、それぞれの要求に対して極めて柔軟に適合されるようにすることも可能であるという利点を有する。電圧パルスはさらに、電圧が連続的電圧として印加された場合にはＭＥＡが損傷されるであろう電圧より高い電圧となるように、電圧の程度が選択されるようにすることも可能なので、測定時間の短縮化を可能にする。

ＭＥＡが全体として全部が記録されることが不可能な状況では、位置分析に基づいてＭＥＡの２つ以上の領域から別々にデータを検出することも可能であり、その後それらのデータはデータの評価用に好ましい方法で再び組み合わされるようにすることも可能である。

これにより、方法がそれぞれの要求に柔軟に適合されることが可能になる。評価用データの組み合わせは、例えば、より簡単な評価、データの文書化及び保存を可能にし、これによって故障の頻度、強度及び度合いの明確な統計的評価が可能になる。このことは、言い換えると、生産工程の制御又は開発工程の高速化に使用されるようにすることも可能である。

データ評価の手順は、存在するかもしれないあらゆる短絡を検出するために、ＭＥＡの平均的熱放射とは異なる、より大きい熱放射を有するＭＥＡの点又は領域を判定することが好ましい。

本発明の目的にとって、このような点のことを熱点と呼ぶ。これは好ましくは目盛りを用いて簡単な方法で位置確認されるようにすることが可能である。

本発明による方法の一つの好ましい変形形態の場合、位置分析データは写真撮像によって、特に赤外線カメラを用いて、検出される。

本発明による方法の別の好ましい変形形態では、位置分析データは、さらに時間分析に基づいて検出される。

この場合、少なくとも１０Ｈｚ、好ましくは少なくとも５０Ｈｚ、さらに好ましくは少なくとも９０Ｈｚ、また特に少なくとも１３０Ｈｚのフレーム繰り返し率が適している。

さらに、位置分析データの検出はリアルタイムで、特にリアルタイムの赤外線画像データ検出を用いて実施されると好ましい。

本発明は、ＰＥＭＦＣの例を使用して上記に述べてきたが、さらに他の電気化学的電池に適用されるようにすることも可能である。本発明の第３の主題は、従って、電気化学的電池用の構成要素内の短絡の検出及び位置確認のための上述された装置の使用法である。

構成要素は、好ましくは非導電性膜であり、この膜は反対面上を導電性の物質で被覆されている。

これらのこうした構成要素は、例えば、例として上述した膜電極接合体（ＭＥＡ）、触媒被覆膜（ＣＣＭ）などである。

本発明は、図面を参照して以下により詳細に説明される。

図１は、ＭＥＡ内の短絡の検出及び位置確認のための本発明による装置（１）の概略図である。図は、中にＭＥＡ（３）が保持され配置されている標本保持具（２）と、ＭＥＡ（３）とＭＥＡへ電圧が印加可能となるのに経由する２つの端子（５、５’）との間に電気的接触を形成する手段（４、４’）と、本体からの熱放射を介して位置分析データを検出する手段（６）、この場合は赤外線カメラ、とを示している。赤外線カメラ（６）は、標本保持具（２）から、事前に決定可能な所定の距離を置いて配置され、検出データを評価する手段（７）に電気的に接触する。

図２は、本発明による装置の標本保持具（２）の、ＭＥＡのない状態の概略図である。目盛り（８）が図の上部に図示されており、それによってＭＥＡが標本保持具（２）の中に配置されることが可能であり、それが短絡の位置確認を可能にする。

図３は、中に保持され配置されたＭＥＡ（３）を有する本発明による装置の標本保持具（２）の概略的平面図である。さらに目盛り（８）も見える。図の左手と右手部分はそれぞれ端子（５、５’）を示し、電気的接触を形成する手段の一部をなし、それを用いてＭＥＡ（３）へ電圧が印加されるようにすることが可能である。

図４は、本発明による、適した電気的接触形成手段の概略図である。この場合、これらは端子（５、５’）の形をしており、ＭＥＡと電気的接触を形成するのに使用される。端子（５’）は金メッキ（９）を有しており、その優れた導電性により、結果としてその点における電気的接触抵抗は低くなり、そのためそこで生成される撹乱熱はごく僅かである。

図５は、ＭＥＡ内の短絡の検出と位置確認のための本発明による方法の結果を示しており、特に赤外線画像を示すものであり、その左手部分に３つの短絡（１０、１０’、１０”）を有するＭＥＡ（３）を見ることができる。短絡（１０、１０’、１０”）は、説明のため、破線の円で印がつけられている。図示された赤外線画像では、それらは点、光点、いわゆる熱点の形で見ることができる。図はさらに、標本保持具上の赤外線可視目盛り（８）と、端子（５）とを示している。目盛り（８）は、容易に判読可能なので、短絡（１０、１０’、１０”）は簡単に位置確認されることが可能である。

本発明による装置を示す図である。 本発明による適切な標本保持具を示す図である。 標本保持具上に配置されたＭＥＡを示す図である。 本発明による電気的接触を形成するのに適切な手段（端子）を示す図である。 ３つの短絡を有する赤外線画像を示す図である。

符号の説明

１ ＭＥＡ内の短絡の検出及び位置確認のための装置
２ 標本保持具
３ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
４、４’ 電気的接触を形成する手段
５、５’ 端子
６ 本体からの熱放射を介して位置分析データを検出する手段（赤外線カメラ）
７ 検出データを評価する手段
８ 目盛り
９ 金メッキ
１０、１０’、１０” 短絡

Claims (23)

1. 膜電極接合体（ＭＥＡ）内の短絡の検出及び位置確認のための装置であって、
   ａ）ＭＥＡを保持し配置するための標本保持具と、
   ｂ）前記ＭＥＡに電圧が印加されるように、ＭＥＡとの電気的接触を形成する手段と、
   ｃ）本体からの熱放射を介して位置分析データを検出する手段とを備えており、該手段は、前記標本保持具から事前に決定可能な一定の距離を置いて配置されるようにすることが可能であり、前記検出データを評価する手段との電気的接触を形成可能である、装置。
2. 前記標本保持具は目盛りを有し、ＭＥＡはこの目盛りに対して規定された方法で配置されることが可能である、請求項１に記載の装置。
3. 前記目盛りは電磁スペクトルの赤外線域内で、好ましくは４００ｎｍ〜１２μｍの電磁放射線の波長域内で、判読可能である、請求項２に記載の装置。
4. ＭＥＡとの電気的接触を形成する前記手段は、前記ＭＥＡに導電的に締め付けられることが可能な端子を少なくとも１つを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. ＭＥＡとの電気的接触を形成する前記手段は、前記ＭＥＡに導電的に取り付けられることが可能な磁石を少なくとも１つを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
6. 電気的接触を形成する前記手段は、導電性の高い物質、好ましくは貴金属、特に好ましくは金、銀、炭素又はそれらの組み合わせによって、少なくとも前記接触面上が被覆されている、請求項４または５に記載の装置。
7. 位置分析データを検出する前記手段は、熱撮像装置、好ましくは熱赤外線撮像装置、特に好ましくは赤外線カメラを備えている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 位置分析データを検出する前記手段は、写真撮像データ検出を可能にするように構成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 位置分析データを検出する前記手段は、さらに時間分析データも検出できるように構成されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 位置分析データを検出する前記手段は、少なくとも１０Ｈｚ、好ましくは少なくとも５０Ｈｚ、さらに好ましくは少なくとも９０Ｈｚ、また特に好ましくは少なくとも１３０Ｈｚのフレーム繰り返し率が可能となるよう構成されている、請求項９に記載の装置。
11. 位置分析データを検出する前記手段は、データ検出がリアルタイムで実施されることが可能となるように構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 膜電極接合体（ＭＥＡ）内の短絡の検出及び位置確認のための方法であって、
    ａ）標本保持具上にＭＥＡを配置するステップと、
    ｂ）本体からの熱放射を介して位置分析データを検出する手段を、前記標本保持具から所定の距離をおいて配列するステップと、
    ｃ）前記ＭＥＡに電圧を印加するステップと、
    ｄ）前記ＭＥＡについての位置分析及び時間分析データを検出するステップと、
    ｅ）前記検出データの評価をおこなうステップと、を含む方法。
13. 位置分析データはＭＥＡの２つ以上の領域から別々に検出される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記別々に検出された位置分析データは、評価のために組み合わされる、請求項１３に記載の方法。
15. 短絡の存在を検出するために、前記検出データが、前記ＭＥＡの平均熱放射とは異なるより高い熱放射（熱点）を有する前記ＭＥＡの領域を測定することによって評価される、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 熱点は、目盛りを用いて位置確認される、請求項１５に記載の方法。
17. 位置分析データは写真撮像によって検出される、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 位置分析データに加えて、時間分析データも検出される、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記位置分析データ及び時間分析データは、少なくとも１０Ｈｚ、好ましくは少なくとも５０Ｈｚ、さらに好ましくは少なくとも９０Ｈｚ、また特に好ましくは少なくとも１３０Ｈｚのフレーム繰り返し率で、検出される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記位置分析データは、リアルタイムで検出される、請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 電気化学電池用の構成要素内の短絡の検出及び位置確認のための請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置の使用法。
22. 前記構成要素は、非導電性膜であり、該膜は反対面を導電性物質で被覆されている、請求項２１に記載の使用法。
23. 前記構成要素は、膜電極接合体（ＭＥＡ）及び触媒被覆膜（ＣＣＭ）である、請求項２１または２２に記載の使用法。

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