JP2020135926A - 燃料電池用セパレータ材の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用セパレータ材の欠陥を確実かつ簡便に検出する検査方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る燃料電池用セパレータ材の検査方法は、純チタン又はチタン合金からなる基材と、該基材上に形成された酸化チタンとカーボンブラックとが混合した混合層とを備える燃料電池用セパレータ材の検査方法であって、セパレータ材Ｗを照明して撮像し、検査画像を取得するステップと、欠陥がないセパレータ材Ｗを撮像したリファレンス画像のリファレンス輝度と検査画像の検査輝度との輝度差を算出するステップと、セパレータ材Ｗを測色して色彩値を取得するステップと、色彩値に基づいて混合層の膜厚を算出するステップと、膜厚及び色彩値が所定値より小さい場合に、輝度差の強調処理を行うステップと、強調処理を行った輝度差に基づいて、セパレータ材Ｗの良否判定を行うステップとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ材の検査方法に関する。

燃料電池は、一般に、電解質膜とこの電解質膜の両面に配置された一対の電極とを接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）と、この膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備える単セルを複数積層したスタック構造を有する。燃料電池用セパレータには、高い導電性とその高い導電性を燃料電池のセル内部の環境下で長期間維持する導電耐久性が要求される。

そこで、特許文献１には、純チタン又はチタン合金からなる基材上に、カーボンブラック分散塗料を塗布した後、低酸素分圧下で熱処理することにより、酸化チタンとカーボンブラックとが混合分散した混合層が形成された燃料電池用セパレータ材が開示されている。この混合層は導電パスとなるカーボンブラックを耐食性の高い酸化チタンで包み込んだナノコンポジット層であり、燃料電池のセル内部の環境下で劣化することなく高い導電性を維持することが可能である。

このような混合層を有する燃料電池用セパレータ材の品質検査として、撮像した画像を画像処理して、インラインで欠陥の検査を行うことが考えられる。金属板の表面欠陥検出方法としては、例えば、特許文献２には、金属板表面を照明して画像情報を取得し、画像輝度が暗部閾値未満の部位と明度閾値を超える部位の距離が所定値以下である欠陥箇所を合わせて１つの欠陥箇所として抽出する技術が開示されている。

特開２０１６−１２２６４２号公報 特開２０１６−１８８７６８号公報

燃料電池用セパレータ材の位置によって混合層の厚さが異なると、検査時の照明光の干渉により、母材の色が変化して一定とならない。このため、撮像された画像を閾値処理して欠陥を検出する際に、欠陥部分と正常部分の輝度差であるか、母材の色ムラによる輝度差であるか判別することが困難となり、欠陥の検出精度が著しく低下したり、母材そのものを欠陥とする誤検出が発生する。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、燃料電池用セパレータ材の欠陥を確実かつ簡便に検出する検査方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る燃料電池用セパレータ材の検査方法は、純チタン又はチタン合金からなる基材と、該基材上に形成された酸化チタンとカーボンブラックとが混合した混合層とを備える燃料電池用セパレータ材の検査方法であって、前記セパレータ材を照明して撮像し、検査画像を取得するステップと、欠陥がないセパレータ材を撮像したリファレンス画像のリファレンス輝度と前記検査画像の検査輝度との輝度差を算出するステップと、前記セパレータ材を測色して色彩値を取得するステップと、前記色彩値に基づいて前記混合層の膜厚を算出するステップと、前記膜厚及び前記色彩値が所定値より小さい場合に、前記輝度差の強調処理を行うステップと、強調処理を行った前記輝度差に基づいて、前記セパレータ材の良否判定を行うステップとを含む。

本発明によれば、燃料電池用セパレータ材の欠陥を確実かつ簡便に検出する検査方法を提供することが可能となる。

実施の形態に係る燃料電池用セパレータ材の検査装置の構成の一例を示すブロック図である。 燃料電池用セパレータ材の撮像を行う際のカメラ、光源の配置の一例を示す図である。 実施の形態に係る燃料電池用セパレータ材の検査方法の一例を示すフロー図である。 撮像された検査画像の一例である。 リファレンス輝度値の一例を示すグラフである。 検査輝度値の一例を示すグラフである。 強調処理を行った、リファレンス輝度と検査輝度との輝度差を示すグラフである。 強調処理を行った検査画像の一例である。 断面ＳＥＭにより測定された膜厚の実測値と、色彩値を用いて算出された膜厚の予測値との関係を示すグラフである。 混合層を備える燃料電池用セパレータ材の検査を行う際に、輝度差が小さくなる例を説明する図である。 混合層を備える燃料電池用セパレータ材の検査を行う際に、輝度差が小さくなる例を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、実施の形態において検査対象となる、燃料電池用セパレータ材（以下、単に「セパレータ材」とも称する）について説明する。セパレータ材は、純チタン又はチタン合金からなる基材上に酸化チタンとカーボンブラックとが混合した混合層が形成された構成を有している。純チタンとしては、例えば、ＪＩＳ Ｈ ４６００に規定されるものを挙げることができる。また、チタン合金としては、例えば、Ｔｉ−Ａｌ、Ｔｉ−Ｎｂ、Ｔｉ−Ｔａ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−Ｐｄを挙げることができる。ただし、これらに限定されるものではない。

混合層の中の酸化チタンは、結晶性のルチル構造のものを含む。また、混合層の中のカーボンブラックは、混合層中のカーボンの結合状態をＸ線光電子分光分析により分析した際に検出されたカーボンのうちの７０％以上がＣ−Ｃ結合、即ちカーボンとカーボン同士の結合を有するカーボンブラック単体として存在しており、セパレータ材の最表面から基材へと分布している。このカーボンブラックは、電流を流す導電パスとしての役割を果たす。また、カーボンブラックは酸化に対して安定であるため、導電性が安定的に維持される。

このようなセパレータ材は、例えば、特許文献１に記載されている。セパレータ材は、例えば、コイル状に巻かれた長尺帯状のものである。なお、検査対象であるセパレータ材は、所定寸法に切断された枚葉紙状のものであってもよい。実施の形態では、このような混合層を有する燃料電池用セパレータ材の品質検査として、撮像した画像を画像処理して、燃料電池用セパレータの製造工程に対してインラインで欠陥の検査を行う。

カーボンを含む酸化チタンからなる混合層を備えるセパレータ材は、その位置によって混合層の膜厚が異なると、検査時の照明光の干渉により、母材の色が金〜紫色に変化する。図１０に示すように、母材と欠陥との輝度差が小さくなると、欠陥の検出精度が著しく低下したり、母材そのものを欠陥とする誤検出が発生する。図１０に示す例では、セパレータ材Ｗの母材と欠陥Ｄ１との輝度差は閾値より大きいため、欠陥Ｄ１は欠陥として抽出される。しかし、セパレータ材Ｗの母材と欠陥Ｄ２との輝度差は閾値よりも小さいため、実際には欠陥Ｄ２が存在するにもかかわらず、欠陥Ｄ２は欠陥として抽出されない。

母材と欠陥との輝度差が小さくなる例について、図１０を参照して説明する。図１０は、混合層を備えるセパレータ材の検査を行う際に、母材と欠陥との輝度差が小さくなる例を説明する図である。母材と欠陥との輝度差が小さくなるのには、以下の２つのケースが挙げられる。図１０に示すように、ケース１として、母材のノミナル輝度（実測値）がシフトすることが挙げられる。また、ケース２として、母材輝度のばらつきが拡大することが挙げられる。

また、混合膜の導電性を決める膜厚は、画像での検査が不可能であるため、抜き取り検査を実施している。混合膜の膜厚の良品規格は数十ｎｍ程度であるため、測定には断面ＳＥＭが用いられる。しかし、この検査は、検査費が高く、検査に時間がかかる。また、断面ＳＥＭを用いた検査は破壊検査であるため、コイル状のセパレータ材全長の保証ができないという課題がある。

そこで、本発明者らは、以下の検査方法を考案した。実施の形態に係る燃料電池用セパレータ材の検査方法は、混合層を備えるセパレータ材を照明して撮像し、検査画像を取得するステップと、欠陥がないセパレータ材を撮像したリファレンス画像のリファレンス輝度と検査画像の検査輝度との輝度差を算出するステップと、セパレータ材を測色して色彩値を取得するステップと、色彩値に基づいて混合層の膜厚を算出するステップと、膜厚及び色彩値が所定値より小さい場合に、輝度差の強調処理を行うステップと、強調処理を行った輝度差に基づいて、セパレータ材の良否判定を行うステップとを含む。

これにより、セパレータ材の欠陥を確実かつ簡便に検出することができる。また、燃料電池用セパレータの製造工程に対してインラインで欠陥の検査を行うことができ、また、セパレータ材全長の検査も可能であり、燃料電池用金属セパレータの生産性を向上させることができる。

以下、具体的な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係る燃料電池用セパレータ材の検査装置１の構成を示す図である。検査装置１は、純チタン又はチタン合金からなる基材上に酸化チタンとカーボンブラックとが混合した混合層とを備える燃料電池用セパレータ材（以下、セパレータ材Ｗとする）の検査を行うのに好適である。検査装置１は、データ入力部１０、画像処理部２０、データ出力部３０を備える。

データ入力部１０は、カメラ１１、測色計１２を含む。カメラ１１は、セパレータ材Ｗを照明して撮像し、検査画像を取得する。図２に示すように、セパレータ材Ｗの検査面の法線方向と斜めに交差する方向から、検査光源２によりライン状に検査光を検査面に照射することができる。カメラ１１は、例えば、ライン状に配置されたＣＣＤ等の受光素子を有し、セパレータ材Ｗの検査面を撮像することができる。図４に、カメラ１１により撮像された検査画像の一例が示される。

測色計１２は、セパレータ材Ｗを測色し、混合膜の色の変化を色彩値として取得する。測色計１２は、例えば、カメラ１１の近傍に配置される。色彩値は、例えば、ＣＩＥ（国際照明委員会）が１９７６年に定めた均等色空間のひとつである、三次元直交座標の色空間（Ｌ＊ａ＊ｂ＊色空間）を用いたＬ＊ａ＊ｂ＊表色系における、明度（Ｌ＊）、色相と彩度を示す色度（ａ＊、ｂ＊）である。ａ＊は赤〜緑成分を示し、ｂ＊は黄〜青成分を示す。測色計１２としては、例えば、Ｌ＊Ａ＊ｂ＊値を直接測定する色彩計や、分光反射率（透過率）を測定してＸＹＺ３刺激値から色差計算式を用いてＬ＊Ａ＊ｂ＊値を計算する分光測色計を挙げることができる。測色計１２により測定された色彩値は、強調処理部２５、膜厚算出部３３、判定部３１に入力される。

画像処理部２０は、画像データ読取部２１、リファレンス画像処理部２２、検査画像処理部２３、輝度差算出部２４、強調処理部２５を含む。画像データ読取部２１は、カメラ１１から、撮像された検査画像の画像データを読み取る。

リファレンス画像処理部２２は、欠陥がないセパレータ材を撮像したリファレンス画像のリファレンス輝度を定義する。図５に、リファレンス輝度値の一例が示される。検査画像処理部２３は、画像データ読取部２１により読み取った検査画像から、検査輝度を取得する。なお、リファレンス画像処理部２２、検査画像処理部２３は、セパレータ材Ｗの表面状態に応じた撮像画像を、例えば、２５６階調の輝度で定量する。図１２に、検査輝度値の一例が示される。

輝度差算出部２４は、リファレンス輝度と検査輝度との輝度差を算出する。この輝度差は、強調処理部２５、判定部３１に入力される。強調処理部２５は、後述する膜厚算出部３３により算出された混合膜の膜厚と色彩値とが所定値よりも小さい場合に、リファレンス輝度と検査輝度との輝度差を強調する処理を実行する。「色彩値が所定値より小さい」とは、例えば、各所定値よりも、明度が小さい（Ｌ＊が０（黒）に近い）、ａ＊が小さい（緑寄りの色味となる）、ｂ＊が小さい（青寄りの色味となる）ことを含む。

輝度差の強調処理として、例えば、コントラスト変換を行うことで、濃淡差を広げて、欠陥の特徴を強調することができる。図７に、強調処理を行った後の、リファレンス輝度と検査輝度との輝度差の一例が示される。また、図８に、強調処理を行った検査画像の一例が示される。

データ出力部３０は、判定部３１、ディスプレイ３２、膜厚算出部３３を含む。判定部３１は、輝度差算出部２４により算出された輝度差、又は、強調処理部２５により強調処理を行った輝度差を閾値処理することにより欠陥を抽出し、セパレータ材Ｗの良否判定を行う。判定部３１は、例えば、所定値（輝度値閾値、強調輝度値閾値）を超えた部位を欠陥（汚れ、傷、打痕）として検出する。

膜厚算出部３３は、測色計１２により測色された色彩値に基づいて、混合膜の膜厚を算出する。混合膜の膜厚は、回帰式を用いて算出される。算出された混合膜の膜厚は、強調処理部２５及び判定部３１に入力される。判定部３１は、上記の輝度差に基づくセパレータ材Ｗの良否判定だけでなく、混合膜の膜厚が所定値（膜厚閾値）よりも小さいか否かを判定し、判定結果に基づいてセパレータ材Ｗの良否判定を実行することができる。

また、判定部３１は、混合膜の膜厚が所定値（膜厚閾値）よりも小さい場合に、色彩値が所定値（色彩値閾値）よりも小さいか否かを判定し、この判定結果に基づいて強調処理部２５による輝度差の強調処理を行うか否かを決定する。ディスプレイ３２は、セパレータ材Ｗの良否判定結果等を表示する。

図３は、実施の形態に係る燃料電池用セパレータ材の検査方法を説明するフロー図である。まず、カメラ１１により、セパレータ材Ｗを撮像する（ステップＳ１１）。また、測色計１２を用いて、セパレータ材Ｗを測色し（ステップＳ１２）、色彩値を取得する。色彩値としては、明度（Ｌ＊）、色相と彩度を示す色度（ａ＊（赤〜緑成分）、ｂ＊（黄〜青成分））が得られる。なお、ステップＳ１１、Ｓ１２の順序は特に限定されない。

その後、欠陥がないセパレータ材を撮像したリファレンス画像のリファレンス輝度を定義する（ステップＳ１３）。一方、撮像した検査画像から、検査輝度を取得する（ステップＳ１４）。そして、ステップＳ１５に移行し、ステップＳ１３のリファレンス輝度とステップＳ１４の検査輝度との輝度差が算出される。

そして、セパレータ材Ｗの混合膜の膜厚が算出される（ステップＳ１６）。なお、輝度差の算出と膜厚の算出の順序は特に限定されず、同時に実行されてもよい。セパレータ材Ｗの混合膜の膜厚の予測値は、例えば、色彩値（Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊）と断面ＳＥＭにより測定された膜厚の実測値との関係を重回帰分析して得られる回帰式ｆ（Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊）に、色彩値の値を代入することにより得ることができる。図９は、断面ＳＥＭにより測定された膜厚の実測値（横軸）と、色彩値を用いて算出される膜厚の予測値（縦軸）との関係を示すグラフである。図９に示すように、実測された膜厚と算出された膜厚には、９５％信頼区間で評価される相関関係が存在する。

混合膜の膜厚が所定値（膜厚閾値）よりも小さいか否かが判定される。混合膜の膜厚が膜厚閾値以上である場合（ステップＳ１７、ＮＯ）、セパレータ材Ｗが良品であると判断される（ＯＫ判定）。一方、混合膜の膜厚が膜厚閾値よりも小さい場合（ステップＳ１７、ＹＥＳ）、色彩値が所定値（色彩値閾値）よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ１８）。色彩値が色彩値閾値以上である場合（ステップＳ１８、ＮＯ）、輝度差算出部２４で算出された輝度差が所定値（輝度差閾値）よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ２１）。

輝度差算出部２４で算出された輝度差が所定値（輝度差閾値）以下である場合（ステップＳ２１、ＮＯ）、セパレータ材Ｗが良品であると判断される（ＯＫ判定）。輝度差算出部２４で算出された輝度差が所定値（輝度差閾値）よりも大きい場合（ステップＳ２１、ＹＥＳ）、所定値（輝度値閾値）を超えた部位が欠陥として抽出され、セパレータ材Ｗが不良品であると判断される（ＮＧ判定）。

一方、色彩値が色彩値閾値よりも小さい場合（ステップＳ１８、ＹＥＳ）、リファレンス輝度と検査輝度との輝度差を強調する処理が実行される（ステップＳ１９）。そして、強調処理された輝度差が所定値（強調輝度差閾値）よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ２０）。強調処理された輝度差が所定値（強調輝度差閾値）以下である場合（ステップＳ２０、ＮＯ）、セパレータ材Ｗが良品であると判断される（ＯＫ判定）。強調処理された輝度差が所定値（強調輝度差閾値）よりも大きい場合（ステップＳ２０、ＹＥＳ）、所定値（強調輝度値閾値）を超えた部位が欠陥として検出され、セパレータ材Ｗが不良品であると判断される（ＮＧ判定）。

このように、実施の形態では、測色計１２によりセパレータ材Ｗの混合膜を測色し、色彩値に応じて、輝度差を強調する処理を追加する。これにより、セパレータ材Ｗの欠陥検出精度を向上させるとともに、欠陥の誤検出率を低減させることが可能となる。また、色彩値（色相、彩度、明度）を用いて、混合膜の導電性の支配的な特性である膜厚を定量することができる。このように、混合膜の膜厚をインラインで算出することができ、コイル状に巻かれた長尺帯状のセパレータ材Ｗの全長での保証が可能となり、膜厚不良のセパレータ材Ｗの流出を低減させることが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 検査装置
２ 検査光源
１０ データ入力部
１１ カメラ
１２ 測色計
２０ 画像処理部
２１ 画像データ読取部
２２ リファレンス画像処理部
２３ 検査画像処理部
２４ 輝度差算出部
２５ 強調処理部
３０ データ出力部
３１ 判定部
３２ ディスプレイ
３３ 膜厚算出部
Ｗ セパレータ材
Ｄ１ 欠陥
Ｄ２ 欠陥

Claims (1)

1. 純チタン又はチタン合金からなる基材と、該基材上に形成された酸化チタンとカーボンブラックとが混合した混合層とを備える燃料電池用セパレータ材の検査方法であって、
   前記セパレータ材を照明して撮像し、検査画像を取得するステップと、
   欠陥がないセパレータ材を撮像したリファレンス画像のリファレンス輝度と前記検査画像の検査輝度との輝度差を算出するステップと、
   前記セパレータ材を測色して色彩値を取得するステップと、
   前記色彩値に基づいて前記混合層の膜厚を算出するステップと、
   前記膜厚及び前記色彩値が所定値より小さい場合に、前記輝度差の強調処理を行うステップと、
   強調処理を行った前記輝度差に基づいて、前記セパレータ材の良否判定を行うステップと、
   を含む、燃料電池用セパレータ材の検査方法。