JP2014190706A - 検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロールで移動するシート部材の欠陥を光を用いてより確実に検出する。
【解決手段】ロールを用いて移動するシート部材と反対側の面である第１面側に検査部を設置し、前記シート部材の前記ロール側の面である第２面側に照射部を配置し、照射部から検査光を前記ロールで反射させ、前記シート部材の前記第２面を照射することにより、白色光を用いても平面度が高くコントラスト比が高い状態が確保でき、安価で小型な系での欠陥の検出が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロールを用いて移動する長尺のシート部材の外観検査方法に関する。

電池の電極を連続的に作製する場合、ロールを通過させた長尺状のシートにインク化した活物質を間欠塗工する工程で製造する方法がある。

このシート部材は、通常、固体高分子電解質形燃料電池における水素極（燃料極）、酸素極（空気極）が高分子電解質膜（イオン交換樹脂）の上に形成したもの（ＣＣＭ）や、ＣＣＭとセパレータの間に介在されるガス拡散層である。そして、これらシート部材は、ロールを用いて移動することで搬送される。

このＣＣＭは、燃料ガスのイオン化による酸化、空気中の酸素の水への還元といった電気化学的な機能や、触媒層と高分子電解質膜のイオン伝導としての機能を、ガス拡散層は、セパレータと水素極、空気極のような触媒層間の電子伝導体としでの機能や各セパレータから供給される水を吸収して外部に排出する機能とを併せ持つことが求められている。そのため、触媒層、高分子電解質膜、及びガス拡散層に欠陥があると機能が低下する可能性があるため、欠陥の検出は非常に重要である。

ＣＣＭや、ガス拡散層の欠陥の検出には、欠陥部分の発見等を照射光の透過光や反射光を画像処理する方法があり、例えば、特許文献１には、金属を担持したカーボンをフッ素樹脂で結着した電極触媒を炭素基材上に支持してなる電極内の微量な高分子電解質の光の吸収強度を赤外分光法により測定し、触媒層の欠陥部分を発見する方法がある。

この方法によれば、ＣＣＭに反射した赤外線を用いた手法であり高分子電解質が無ければ赤外線の吸収が起こらないため欠陥を検出することができる。また高分子電解質が多いほど赤外線の吸収が増え、少ないほど赤外線の吸収量が減少するため電極面内の高分子電解質の分布を測定することができる。

一方、白色光を用いて欠陥部分を検出する方法がある。例えば、特許文献２には、検査光が多孔質電板基材の裏面側に照射され、多孔質基材を透過した光を検出することで、多孔質基材の欠陥を検出する方が報告されている。この方法は、赤外分光法と異なり、照射光を、白色光を用いて実施しており装置が簡易である。そして、透過光を検出していることからコントラスト比が高いため十分な検出を行うことができる。

特開２００５−３８６９４号公報 特開２０１０−２７２２５０号公報

しかしながら、特許文献１に示すような前記従来の構成では、赤外分光法を用いていることから、装置が高価なものになってしまう。また、高分子電解質膜に照射した反射光を検知する場合、安価な白色光ではコントラスト比が低くなり触媒層の欠陥部分を発見するのが非常に難しくなるといった課題が生じてしまう場合がある。

また、先行例の方式による赤外分光法では、解析するための処理時間を多く費やすといった課題もある。

さらに、光を透過する高分子電解質膜に形成された触媒層の場合では、触媒層の長さ方向及び幅方向を検出するのも難しくなる。

一方で、特許文献２では、照射部と検査部が多孔質基材に対し対峠した状態で設置されており、略直行してきた透過光が検出器に入る構成になっている。照射部が白色光であり赤外分光よりも簡易的であり、鉛直方向に透過してきた光を検出することで多孔質電極基材表面のコントラスト比が高まり、欠陥の検出精度が向上する。

しかし、ロールを用いて移動するシート部材を検査する場合、シート部材にテンション負荷をかけないと搬送されたシート部材が位置ズレによる歪みを発生し、シート部材の安定な移動が難しくなるため、常にシート部材にテンション負荷をかける必要がある。一方、ロールから離れたシート部材は、テンション負荷をかけているためにロールから離れるほど撓みが発生する。撓みが発生したシート部材は平面度が下がっている。これにより、欠陥が触媒層の影に隠れてしまい検出が難しくなる。特に側面側にある欠陥が存在していた場合、撓みによる膜の変形が大きく欠陥の検出が非常に難しくなるといった課題が生じる。

ロールを用いて移動するシート部材を平面度が高い状態で検査するには、シート部材がロールに接触、又は接触直前直後に行う必要がある。

特許文献２では、照射部を検出部と対峙した状態で設置していることから、ロールに接触、又は接触直前直後行った場合、ロール内部に照射部を設けることが必要になる。しかし、照射部を内蔵し透過可能なロールにしなくてはならず、照射部を収納できる容積と透明で且つ強度がある材質が必要になり、大型化で高コスト化になる可能性が生じる。また、照射可能なロールを用いた場合でも、ロールが汚れた場合検査能力が低下する恐れがある。

一方、ロールの数を増やすことでシート部材が平面度を保つ状況が増える。しかし、特許文献２のように照射光がシート部材を垂直に透過するように照射部と検査部を設置する場合、少なくともロールの半径以上離れたところで照射することになりロールに接触、又は接触直前直後のシート部材での検査が難しいといった課題が生じる。

前記従来の課題を解決するために、本発明の第一の主要な構成は、ロールを用いて移動するシート部材と反対側の面である第１面側に検査部を設置し、前記シート部材の前記ロール側の面である第２面側に照射部を配置し、照射部から検査光を前記ロールで反射させ、前記シート部材の前記第２面を照射し、前記シート部材の前記第２面側から前記第１面側へ略直行して透過した前記検査光を前記検査部が検出する検査方法である。

ロール接触直後のシート部材に白色光を用いた検査光が照射されることで、コントラスト比が高く、シート部材の平面度が高い状態を確保することができ、安価で小型な系での欠陥検査を可能にすることができる。

実施の形態に係わる検査装置の模式図 実施例１に係わる検査装置の模式図 比較例１に係わる検査装置の模式図 比較例２に係わる検査装置の模式図 観察結果の模式図

本発明の第一の主要な構成は、ロールを用いて移動する長尺のシートと反対側の面である第１面側に検査部を設置し、前記シート部材の前記ロール側の面である第２面側に照射部を配置し、照射部から検査光を前記ロールで、反射させ、前記シート部材の前記第２面を照射し、前記シート部材の前記第２面側から前記第１面側へ略直行して透過した前記検査光を前記検査部が検出する検査方法である。

また、本発明の第二の主要な構成は、前記シート部材は、前記ロールと通過した後に重力方向下側に傾斜しており、前記照射工程は、前記照射部が前記シート部材の前記第２面のうち、前記ロールを通過した直後に前記ロールから離れた部分に検査光を照射する工程である。

この構成により、ロール状のシート部材の連続移送において、ロールと通過した後に重力方向に下側に傾斜していることにより、照射部の設置を傾斜分ロール下側に収納することができ、検査部の設置高さを傾斜分下げることができことからスペースを有効活用することができ、系（装置）の小型化を図ることができる。

本発明の第三の主要な構成は、前記照射工程の前に、前記シート部材を乾燥する乾燥工程を備えた検査方法である。

この構成により、インクを高分子電解質膜に直接塗工して触媒層を形成したシート部材を用いた場合でも、乾燥された触媒層は形状が維持されているため触媒層の欠陥を確実に観察することができる。

本発明の第四の主要な構成は、前記検知器が、前記シート部材の異常を検知した場合、前記シート部材の以上箇所に対する部分にマーキングする工程を備えることを特徴とする検査方法である。

この構成により、異常を検知した箇所を選別することができる。

本発明の第五の主要な構成は、前記シート部材は、検査光が透過可能な長尺の電解質膜と、前記支持体の前記ロールと反対側の面に配置された触媒層とを備え、前記照射工程は、前記電解質膜の前記ロール側に配置された前記照射部から検査光を照射し、前記検査光を前記ロールで反射させ、前記電解質膜の前記ロール側の面を照射する工程であり、前記検出工程は、前記電解質膜を透過した前記検査光を前記電解質膜の前記触媒層側に設置された検知器が検知する工程である。その際に前記シート部材は、前記電解質膜と前記ロールと間に配置され、検査光が透過可能な支持体をさらに備えた検査方法である。

この構成により、触媒層の位置、大きさ、ロール進行方向における長さおよび幅方向のうちの少なくとも１つを検出することができる。

本発明の第六主要な構成は、前記シート部材は、検査光が透過可能な長尺の支持体と、前記支持体の前記ロールと反対側の面に配置されたガス拡散層とを備え、前記照射工程は、前記支持体の前記ロール側に配置された前記照射部から検査光を照射し、前記検査光を前記ロールで反射させ、前記支持体の前記ロール側の面を照射する工程であり、
前記検出工程は、前記支持体を透過した前記検査光を前記支持体の前記ガス拡散層側に
設置された検知器が検知する検査方法である。

この構成により、ガス拡散層の位置、大きさ、ロール進行方向における長さおよび幅方向のうちの少なくとも１つを検出することができる。

また本実施の形態の長尺シート部材は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどいずれかが使われることにより、触媒層の大きさ、ロール進行方向における幅方向のうちの少なくとも１つを検出することができる。

またシート部材は、支持体と高分子電解質膜とが密着していることが好ましい。
検査光が透過可能な高分子電解質膜としては、例えば、炭化水素イオン交換膜又は含フッ素イオン交換膜を用いることができる。

また本実施の形態の触媒層は、白金などの貴金属を担持した炭素材料粉末と、エタノールなどのアルコール系溶媒に高分子電解質を溶解させた溶液とを混合し、これに１級、又は２級のアルコールといった有機溶媒を添加することでインク化し、このインクをダイコータ法、スクリーン印刷法、スプレー塗工法、ドクタープレード法、又はロールコーター法などを用いて高分子電解質膜２上に直接塗布して乾燥することにより形成される。
作製したインクを、グイコータ一法、スクリーン印刷法、スプレー塗工法、ドクタープレード法、又はロールコータ一法などを用いて支持体に塗布、させて触媒層を得た後、高分子電解質膜２上に熱転写しでも構わない。

また本実施の形態の長尺シート部材がガス拡散層の場合、カーボンペーパーを機水処理し、導電性カーボン粒子のカーボン不織布を機水処理する。さらに、導電性カーボン粉末とＰＴＦＥ微粉末を分散させた水溶液とを混合したインクを、スクリーン印刷法を用いて塗布することで撥水層を形成される。

次に検査方法構成について説明する。
図２に示すように前記長尺のシート部材１６は、常にテンションがかかった状態でロールを用いて移動する。

この時の前記ロール２０は、金属製であり光を反射できる反射部２３を備える。ここで、反射部２３は、鏡面状であることがより好ましい。

この時の検査光２２は、焦点が絞られていることが好ましい。これは、ロールの反射部２３で反射する際に散乱が少なく殆どの光がシート部材１６の被照射部２８に照射されるためである。

照射部１８は、シート部材のロール側の面である第２面２６側に配置されており、照射部１８からの照射光２４は、ロール２０で反射し、シート部材の被照射部２８に略直行しながら第２面２６側を照射することができる。

検査器は、長尺のシート部材１６のロール２０と反対側の面である第１面２５に配置されている。そして、検査部１９は、第２面２６側から第１面２５側へ略直行しながら透過２９した検査光２２を検出できるように配置されている。

照射工程は、ロール２０を通過した後にロール２０から離れた部分に検査光２２を被照射部２８に照射する。これは、シート部材１６がロール２０から離れるにつれてシート部材１６の両辺部が撓む場合がある。この時に検査部１９からシート部材１６を観察すると
、撓んでいないシート部材１６と比較し形状が小さく変化している。シート部材１６が触媒層３１で形成された高分子電解質膜２の場合、アノード触媒層又はカソード触媒層である触媒層３１の欠陥１５の位置、大きさ、ロールの進行方向における長さおよび幅の検出精度は低下してしまう可能性がある。このため、前記ロール２０から離れた部分で前記シートが撓んでいない部分に検査光２２を照射することが望ましい。

また前記シート部材１６は、前記ロール２０と通過した後に重力方向２７に傾斜しており、前記照射工程は、前記照射部１８が前記シート部材１６の前記第２面２６のうち、前記ロール２０から離れた部分に検査光２２を照射する工程になっている。

照射工程の前に、乾燥器１４を用いてシート部材１６を乾燥する乾燥工程２１が備わっており、水平方向に移動する。

シート部材１６が異常を検知した場合、異常個所に対応する部分にマーキングする工程がさらに備わっている。

検出工程は、高分子電解質膜２を通過した検査光２２を高分子電解質膜２のアノード触媒層又はカソード触媒層である触媒層３１側に配置された検査部１９が検知する工程である。また、検査光２２が透過可能な長尺な支持体とロール２０と反対側の面に配置されたガス拡散層４２であり、支持体を通過した検査光２２を支持体側のガス拡散層３２側に配置された検査部１９が検知する工程である。

前記検査光は、例えば、白色光、又は赤外光を用いることができる。
以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれのみに限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例では、まず、ケッチェンブラックＥＣに白金を担持させた触媒（白金５０重量％、田中金属工業（株）製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）１０ｇと、高分子電解質として、９重量％濃度のパーフルオロカーボンスノレホン酸（旭硝子（株）製のＦＳＳ−１）を含むエタノール溶液４４．４ｇとを、容器内で混合し、その後、超音波攪拌を行った。その後、溶媒を除去することによって、資料粉末を得た。このとき、資料粉末中の高分子電解質と炭素との乾燥重量比率は、０．８であった。

次に、１０ｇの資料粉末と、１０ｇの蒸留水と、１２ｇのエチレングリコールとを混合し、それぞれ、触媒層用のペースト状インクを調整した。その後、外寸が幅２２ｃｍ六長さ５ｍの高分子電解質膜２（ジャパンゴアテックス（株）製）に、６ｃｍｘ６ｃｍの触媒層３１を形成した。

触媒層３１の高分子電解質膜２上への形成は、触媒目付け重量が０．３ｍｇ／ｃｍ２になるように高分子電解質膜２上に版のカバー部に相当するメッシュ部（１０ｃｍｘ１０ｃｍ）を形成した。以上より長尺のシート部材１６を作製した。

作製した触媒層３１が形成された高分子電解質膜２には厚さ５０μｍのポリエチレンテレフタラートートが支持体となり形成された触媒層３１とは逆側に接着した状態になっている。これが長尺のシート部材１６となる。

この長尺シートに約３ｋＮのテンション負荷を与え、図３に示すように径が１５０ｍｍのロール２０を移動できるように設置した。
この時のロール２０は、金属製であり光を反射できる鏡面式にした。照射部１８は、作製
したシート部材１６のロール２０側の面である第２面２６側に配置されており、照射部１８からの照射光２４は、ロール２０で反射しシート部材１６の第２面２６を略直行するように被照射部２８を照射した。

検査部１９は、長尺シート部材の前記ロールと反対側の面である第１面に配置されている。

そして、検査部１９は、第２面２６側から第１面２５側へシート部材１６に対し略直行しながら透過２９した検査光２２を検出できるように配置した。

作製したシート部材は、ロールと通過した後に重力方向に傾斜しており、前記照射工程は、照射部がシート部材の第２面のうち、ロールから１５ｍｍ離れた部分に検査光２２を照射する工程にした。

上記設定により、シート部材の触媒層の欠陥形状を観察した。

（比較例１）
実施例１で作製した長尺のシート部材１６を、約３ｋＮのテンション負荷を与え、図４に示すように径が１５０ｍｍのロール間を移動できるように設置した。

この時のロールは、金属製である。照射部１８は、実施例１で作製したシート部材のロール２０側の面の逆側である第１面２５側に配置されており、照射部１８からの照射光２４は、実施例１で作製したシート部材１６の第１面２５を略直行しながら被照射部２８を照射した。
検査部１９は、長尺シート部材のロールと反対側の面である第１面２５に配置されている。そして、検査部１９は、第１面２５側を反射した検査光２２を検出できるように配置した。

作製したシート部材１６は、ロール２０と通過した後に重カ方向２７に傾斜しており、照射工程は、照射部１８がシート部材１６の第１面２５のうち、ロール２０から１５ｍｍ離れた部分に検査光２２を被照射部２８に照射する工程とした。

上記設定により、シート部材１６の触媒層の欠陥形状を観察した。

（比較例２）
実施例１で作製した長尺シート部材を、約３ｋＮのテンション負荷を与え、図５に示すように径が１５０ｍｍのロール２０間を移動できるように設置した。
照射部は、作製したシート部材のロール２０側の面である第２面２６側に配置されており、照射部１８からの照射光２４は、実施例１で作製したシートの第２面２６を略直行するように照射した。

この時のロール２０は、金属製である。照射部は、作製したシート部材のロール側の面である第２面２６側に配置されており、照射部１８からの照射光２４は、実施例１で作製したシートの第２面２６を略直行するように照射した。
検査器は、長尺のシート部材１６部材の前記ロール２０と反対側の面である第１面２５に配置されている。

そして、検査部１９は、第２面２６側から第１面２５側へシート部材１６に対し略直行しながら透過２９した検査光２２を検出できるように配置した。

作製したシート部材１６は、ロール２０と通過した後に重力方向２７に傾斜しており、前記照射工程は、照射部がシート部材の第２面２６のうち、ロール２０から７６ｍｍ離れた部分に検査光２２を照射する工程にした。これは、検査光２２が作製したシート部材１６に略直行するように照射するためには、ロール２０が被照射部２８における照射を妨げるため、ロール２０から離れた場所からになった。

上記設定により、シート部材の触媒層の欠陥形状を観察した。

図５（ａ）は、実施例１における観察結果の一例を示す模式図である。図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、比較例１及び比較例２における観察結果の一例を示す模式図である。実施例１では、触媒層周辺部の欠陥部が、比較的鮮明に観察することができたのに対し、比較例１及び比較例２では観察することが困難であった。この理由は、比較例１では、検査光が表面を反射することによりシート部のコントラスト比が低く検出が難しいためと考えられる。比較例２では、シート部周辺がテンションにより撓んでしまい、特にシート部周辺の平面度が低くなったために検出が困難となった。

また、実施例１では、シート部材がロールと通過した後に重カ方向に傾斜しているため、全体に小型化することが出来た。

以上のことから、本実施例で行った検査方法により、触媒層の欠陥部を検出できることが出来た。

以上のように、木発明によれば、高分子電解質膜上に形成された触媒層において、触媒層の欠陥を検出することはもちろんのことガス拡散層も含め、欠陥の位置、大きさ、ロール進行方向における長さ及び幅のうち少なくとも１つを検出することが可能である。

本発明は、高分子電解質形燃料電池に用いる膜電極接合体の製造方法として有用である。

２ 高分子電解質膜
３１ 触媒層
３２ ガス拡散層
４２ ガス拡散層
１４ 乾燥器
１５ 欠陥
１６ シート部材
１８ 照射部
１９ 検査部
２０ ロール
２２ 検査光
２３ 反射部
２４ 照射光
２５ 第１面
２６ 第２面
２８ 被照射部
３１ 触媒層

Claims (9)

1. ロールを用いて移動する長尺のシート部材を、前記シート部材の前記ロールと反対側の面である第１面側に配置された検査器を用いて、前記シート部材を検査する検査方法であって、
   前記シート部材の前記ロール側の面である第２面側に配置された照射部から検査光を照射し、前記検査光を前記ロールで反射させ、前記シート部材の前記第２面を照射する照射工程と、
   前記検査器が、前記シート部材の前記第２面側から前記第１面側へ透過した前記検査光を検出する検出工程と、
   を備えた、検査方法。
2. 前記シート部材は、前記ロールと通過した後に重力方向下側に傾斜しており、
   前記照射工程は、前記照射部が前記シート部材の前記第２面のうち、前記ロールを通過した後に前記ロールから離れた部分に検査光を照射する工程であるよう、請求項１記載の検査方法。
3. 前記照射工程の前に、前記シート部材を乾燥する乾燥工程を備えた、請求項１又は２に記載の検査方法。
4. 前記乾燥工程は、前記シート部材が略水平方向に移動する工程である、請求項３記載の検査方法。
5. 前記検知器が、前記シート部材の異常を検知した場合、前記シート部材の異常個所に対応する部分にマーキングする工程をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の検査方法。
6. 前記シート部材は、検査光が透過可能な長尺の電解質膜と、前記支持体の前記ロールと反対側の面に配置された触媒層と、を備え、
   前記照射工程は、前記電解質膜の前記ロール側に配置された前記照射部から検査光を照射し、前記検査光を前記ロールで反射させ、前記電解質膜の前記ロール側の面を照射する工程であり、
   前記検出工程は、前記電解質膜を透過した前記検査光を前記電解質膜の前記触媒層側に設置された検知器が検知する工程である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の検査方法。
7. 前記シート部材は、前記電解質膜と前記ロールと間に配置され、検査光が透過可能な支持体をさらに備えた、請求項６に記載の検査方法。
8. 前記シート部材は、前記ロールを用いて移動する長尺のガス拡散層である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の検査方法。
9. 前記シート部材は、検査光が透過可能な長尺の支持体と、前記支持体の前記ロールと反対側の面に配置されたガス拡散層と、を備え、
   前記照射工程は、前記支持体の前記ロール側に配置された前記照射部から検査光を照射し、前記検査光を前記ロールで反射させ、前記支持体の前記ロール側の面を照射する工程であり、
   前記検出工程は、前記支持体を透過した前記検査光を前記支持体の前記ガス拡散層側に設置された検知器が検知する工程である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の検査方法。