JP6020398B2

JP6020398B2 - 燃料電池用触媒塗布膜の検査方法

Info

Publication number: JP6020398B2
Application number: JP2013189312A
Authority: JP
Inventors: 暢小田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: JP2015055555A

Description

本発明は、燃料電池用触媒塗布膜の検査方法に関する。

燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の触媒電極にそれぞれ反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。

燃料電池の製造の際には、電解質膜の表面に触媒層を形成することにより触媒塗布膜（Catalyst Coated Membrane：以下、「ＣＣＭ」とも呼ぶ）が製造され、さらに、ＣＣＭを構成する触媒層の表面にガス拡散層が接合される。

一般には、電解質膜の表面への触媒層の形成は、触媒層形成用転写シートを用いて、基材シートに塗工された触媒層を電解質膜に熱圧転写して行われる。転写不良によって触媒層の欠損があると耐久性の懸念がある。そこで、従来、燃料極、空気極での欠損部分（カケ）を検出するものとして、ＣＣＤカメラを用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−２３６５７８号公報特開２０１０−１５３１８８号公報

しかしながら、前記従来のＣＣＤカメラを用いた構成では、燃料極および空気極のうちの一方の電極を検査しようとするときに、電解質膜は透明であることから、他方の電極（以下、「対極」と呼ぶ）の色が透けて映り込むために、検査精度を充分に高めることができないという問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態は、基材シート上に触媒層が形成された触媒層形成用転写シートを使用して製造された燃料電池用触媒塗布膜の検査方法である。この燃料電池用触媒塗布膜の検査方法は、電解質膜に対して熱プレスし、剥離した後の前記触媒層形成用転写シートを撮像して得られた撮像画像を取得する第１の工程と；前記撮像画像に対して第１の値を閾値とする濃淡判定を行うことによって、前記撮像画像から複数の触媒残存部分を検出する第２の工程と；前記第２の工程によって検出された各触媒残存部分において、隣り合う触媒残存部分と近接しているときに、前記隣り合う触媒残存部分との間をつなげて結合領域を形成し、前記結合領域が所定サイズ以上であるときに、前記結合領域に基づいてマスク領域を定める第３の工程と；前記撮像画像における前記マスク領域を除いたマスク外領域に対して前記第１の値よりも高い第２の値を閾値とする濃淡判定を行うことによって、前記マスク外領域から触媒残存部分を検出する第４の工程と；前記第４の工程によって検出された触媒残存部分に基づいて、前記燃料電池用触媒塗布膜の良否を判定する第５の工程と；を備える。

この形態の燃料電池用触媒塗布膜の検査方法によれば、製造された燃料電池用触媒塗布膜側ではなく、熱プレスし、剥離した後（すなわち転写後）の触媒層形成用転写シートを撮像して得られた撮像画像に基づいて、燃料電池用触媒塗布膜の良否を判定することから、検査しようとした触媒層ではなく対極側の触媒層の色が透けて映り込んで検出精度を低下させるようなことがない。さらに、電解質膜に対して熱プレスし、剥離した後の触媒層形成用転写シートには、触媒層が引き剥がされた部分の外周部に触媒が残るが、この触媒残存部分は、第２の工程によって低い側の値である第１の値を閾値とする濃淡判定を行うことによって確実に検出が可能となり、第３の工程および第４の工程によって、マスク領域と定められることになる。その上で、第３の工程によってマスク外領域に対して第１の値よりも高い第２の値を閾値とする濃淡判定を行うことによって触媒残存部分が検出されることから、触媒層が引き剥がされた部分の外周部にある触媒残存部分を、転写の不備で残った本来検出すべき触媒残存部分と混同して不良品と誤判定することがない。以上のことから、この形態の燃料電池用触媒塗布膜の検査方法は、不良品の検出精度を高めることができるという効果を奏する。

本発明は、上述した燃料電池用触媒塗布膜の検査方法としての形態に限らず、種々の形態で実現することが可能である。例えば、燃料電池用触媒塗布膜の検査装置等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池用触媒塗布膜の検査装置を示す説明図である。検査処理の各工程の内容を模式的に示す説明図である。

Ａ．全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池用触媒塗布膜の検査装置を示す説明図である。燃料電池用触媒塗布膜の検査装置１００は、燃料電池に用いられる触媒塗布膜（ＣＣＭ）１０に触媒欠損があるか否かを検査するもので、触媒塗布膜１０を製造するシステムに備えられる。触媒塗布膜１０は、固体高分子型燃料電池に用いられるものである。

触媒塗布膜１０は、長尺状の電解質膜シート１１の第１の面（図中の下側の面）に電解質膜シート１１とほぼ同寸の長尺状の触媒層（図示せず）が形成され、電解質膜シートの第２の面１１ｂに矩形の触媒層１２が間欠的に形成されたものである。長尺状の触媒層は、燃料電池として構成されたときにアノード側触媒層となる。間欠的に形成された矩形の触媒層１２は、燃料電池として構成されたときにカソード側触媒層となる。

電解質膜シート１１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施形態では、デュポン社製ナフィオン（商標名）を使用した。触媒層１２は、触媒金属を担持したカーボンブラックや、ナフィオン等の電解質等を溶媒に分散させたいわゆる触媒インクが塗工されたものである。

図中の上流側において、第１の面に長尺状の触媒層が形成された長尺状の電解質膜シートに対して、その第２の面１１ｂに触媒層形成用転写シート２０を重ね合わせて熱プレスする処理が行われている。その後に、図示するように、剥離ロール３０によって、電解質膜シート１１から触媒層形成用転写シート２０を引き剥がす。

触媒層形成用転写シート２０は、電解質膜シート１１とほぼ同寸の長尺状でテフロン（登録商標）製の基材シート２１に、触媒層材料２２が予め塗工されたものである。触媒層材料２２は、触媒塗布膜１０に備えられるカソード側の触媒層１２と同寸の矩形状に塗工されている。熱プレス後に上述した触媒層形成用転写シート２０を引き剥がす処理を行うことにより、長尺状の触媒層付きの電解質膜シート１１の第２の面１１ｂに矩形状の触媒層１２が転写された触媒塗布膜（ＣＣＭ）１０が得られる。なお、図示しない第１の面に長尺状の触媒層が形成されている。得られた触媒塗布膜１０は、図示しない搬送機構によって下流側に搬送される。

燃料電池用触媒塗布膜の検査装置１００は、電解質膜シート１１から引き剥がされた後の触媒層形成用転写シート２０を撮像するカメラ１１０と、電子制御装置１２０とを備える。カメラ１１０は、固体撮像素子（ＣＣＤ／Charge Coupled Device）を用いて構成されたライン型のもので、触媒層形成用転写シート２０の表面における、転写前に触媒層材料２２が形成されていた部分を含む所定範囲を撮影する。

電子制御装置１２０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、カメラ１１０や図示しない各種スイッチからの出力を受信し、触媒塗布膜の検査処理を実行する。

Ｂ．触媒塗布膜の検査処理：
電子制御装置１２０で実行される触媒塗布膜の検査処理は、工程１から工程５までの５つの工程によって構成される。各工程１〜５はこの順に実行される。各工程１〜５について、順に説明する。なお、図２は、各工程の内容を模式的に示す説明図である。

工程１では、カメラ１１０から撮像画像を取得する処理を行う。工程１の結果、例えば、図２の（ａ）に示す撮像画像Ｐ０が得られる。撮像画像Ｐ０は、触媒層形成用転写シート２０を示す画像要素Ｐ１と、転写前の触媒層材料２２の外周部に位置する複数の触媒残存部分を示す画像要素Ｐ２と、転写前の触媒層材料２２の内側に位置する触媒残存部分を示す画像要素Ｐ３等を含む。触媒層形成用転写シート２０の触媒層材料２２を電解質膜シート１１に転写した場合に、触媒層材料２２が剥がされた部分の外側周囲には複数の触媒残存部分がどうしても残る。転写時における外周部の膜厚は均一にならず、乾燥時に応力が集中し、剛性を失い、転写時に残ったり圧力抜けによって転写されないためである。この残った複数の触媒残存部分が画像要素Ｐ２として表される。また、製造された触媒塗布膜１０に触媒欠損ＮＡ（図１参照）がある場合に、触媒層形成用転写シート２０には、その触媒欠損ＮＡに対応した位置に触媒が転写されずに残る。この残った触媒残存部分が画像要素Ｐ３として表される。

図１に戻って、工程２では、プレ検出処理を行う。プレ検出処理は、後述する本検出処理よりも濃淡判定の閾値を低く設定して、撮像画像Ｐ０から触媒残存部分を検出する画像処理である。本検出処理における濃淡判定では、撮像画像を構成する各画素の濃淡を２５５階調に分割し、最大値から最小値を引いたコントラストの中央値に対して６５階調以上、大きい階調値の画素を、触媒残存部分であると検出する。これに対して、プレ検出処理では、上記の６５階調という閾値を例えば５階調というように低くして濃淡判定を行う。この結果、図２（ｂ）に示すように、画像要素Ｐ２内には、画像要素Ｐ３以外にも、触媒残存部分を示す画像要素Ｐ４が検出され、触媒層形成用転写シート２０に残ったほぼ全ての触媒残存部分が検出される。画像要素Ｐ４は、触媒塗布膜１０のウェブハンドリング中に生じたシワ等を擬似的に触媒残存部分と検出したものと考えられる。なお、プレ検出処理における上記の「５階調」が［発明の概要］の欄に記載した「第１の値」に対応し、本検出処理における上記の「６５階調」が［発明の概要］の欄に記載した「第２の値」に対応する。なお、「５階調」、「６５階調」という値はあくまでも一例であり、これらの値に限られない。第２の値が第１の値よりも高ければ、いずれの値とすることもできる。

図１に戻って、工程３では、工程２のプレ検出処理が施された後の撮像画像に対してマスク領域を設定する処理を実行する。この工程３の処理は、前工程と後工程とによって構成される。前工程は、工程２のプレ検出処理によって検出された各触媒残存部分において、隣り合う触媒残存部分と近接しているときに、前記隣り合う触媒残存部分との間をつなげて結合領域を形成する画像処理である。詳しくは、各触媒残存部分に対して、隣り合う（最も近い）触媒残存部分との間の距離を求め、この距離が所定値以下であるときに「近接している」と判断して、この近接している２つの触媒残存部分間をつなげることによって前記２つの触媒残存部分間が連続する領域（以下、「結合領域」と呼ぶ）を撮像画像上に形成する。この結果、図２（ｃ）に示すように、画像要素Ｐ２として示される複数の触媒残存部分はつながれて、１本の矩形の結合領域ＰＸとなる。

工程３の後工程は、前工程によって形成された結合領域ＰＸの長さが所定値以上であるか否かを判定し、所定値以上であると判定された結合領域ＰＸに基づいてマスク領域を設定する。図２（ｄ）に示すように、マスク領域の設定は、結合領域ＰＸを任意の幅に拡げることで行う。この結果、画像要素Ｐ２（図２（ａ）参照）の領域がマスク領域ＭＳに含まれることになる。

図１に戻って、工程４では、撮像画像における前記マスク領域を除いたマスク外領域（図２（ｅ）中のハッチで示した領域）ＮＭＳに対して本検出処理を行う。本検出処理は、前述したように閾値を６５階調とした濃淡判定を行うことで、マスク外領域ＮＭＳから触媒残存部分を検出する。この結果、マスク領域ＭＳに対応する位置の画像要素Ｐ２（図２（ｂ）参照）は触媒残存部分閾値として検出されることはなく、また、閾値を６５階調と高くしたことで、プレ検出処理で画像要素Ｐ２内に検出された画像要素Ｐ４も触媒残存部分として検出されることはない。したがって、図２（ｆ）に示すように、触媒残存部分として検出されるのは、触媒塗布膜１０の触媒欠損ＮＡに対応した触媒残存部分を示す画像要素Ｐ３だけとなる。

画像要素Ｐ４は、前述したように、プレ検出処理で閾値を低くしたことで、ウェブハンドリング中に生じたシワ等を擬似的に触媒残存部分と判断したもので、触媒塗布膜１０の欠陥部分ではない。画像要素Ｐ２は、触媒層材料２２が剥がされた部分の外側周囲には残る触媒残存部分で、触媒塗布膜１０の欠陥部分ではない。一方、画像要素Ｐ３は、触媒塗布膜１０の触媒欠損ＮＡの部分で、転写不良となった部分である。

図１に戻って、工程５では、工程４によって検出された触媒残存部分に基づいて、触媒塗布膜１０の良否を判定する処理を行う。詳しくは、触媒残存部分が検出された場合には、製造された触媒塗布膜１０は「不良」と判断し、触媒残存部分が検出されなかった場合には「良」と判断する。その後、この触媒塗布膜の検査処理を終了する。

Ｃ．実施形態の作用、効果：
以上のように構成された本実施形態の燃料電池用触媒塗布膜の検査装置１００によれば、製造された触媒塗布膜１０側ではなく、熱プレスし、剥離した後の触媒層形成用転写シート２０を撮像して得られた撮像画像に基づいて、触媒塗布膜１０の良否を判定することから、検査しようとしたカソード側の触媒層１２ではなくアノード側の触媒層の色が透けて映り込んで検査精度を低下させるようなことがない。さらに、工程４で検出される触媒残存部分は、転写の不備で残った本来検出すべき触媒残存部分（画像要素Ｐ３の部分）だけとなることから、検査精度を高めることができる。というのも、工程２のプレ検出処理および工程３のマスク領域の設定処理を行わずに工程４の本検出処理だけを行った場合、触媒層が引き剥がされた部分の外周部にある触媒残存部分（画像要素Ｐ２の部分）を転写の不備で残った触媒残存部分と混同して「不良」と誤判定することがあったが、前述したように画像要素Ｐ２の部分は触媒残存部分であると検出することがないことから、検出精度を高めることができる。したがって、本実施形態の燃料電池用触媒塗布膜の検査装置１００によれば、触媒塗布膜１０の不良品の検出精度を高めることができるという効果を奏する。この結果、不良品が良品として流出されることを防止することができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。

１０…触媒塗布膜
１１…電解質膜シート
１２…触媒層
２０…触媒層形成用転写シート
２１…基材シート
２２…触媒層材料
３０…剥離ロール
１００…検査装置
１１０…カメラ
１２０…電子制御装置
Ｐ０…撮像画像
Ｐ１〜Ｐ４…画像要素
ＰＸ…結合領域
ＮＡ…触媒欠損
ＭＳ…マスク領域
ＮＭＳ…マスク外領域

Claims

基材シート上に触媒層が形成された触媒層形成用転写シートを使用して製造された燃料電池用触媒塗布膜の検査方法であって、
電解質膜に対して熱プレスし、剥離した後の前記触媒層形成用転写シートを撮像して得られた撮像画像を取得する第１の工程と、
前記撮像画像に対して第１の値を閾値とする濃淡判定を行うことによって、前記撮像画像から複数の触媒残存部分を検出する第２の工程と、
前記第２の工程によって検出された各触媒残存部分において、隣り合う触媒残存部分と近接しているときに、前記隣り合う触媒残存部分との間をつなげて結合領域を形成し、前記結合領域が所定サイズ以上であるときに、前記結合領域に基づいてマスク領域を定める第３の工程と、
前記撮像画像における前記マスク領域を除いたマスク外領域に対して前記第１の値よりも高い第２の値を閾値とする濃淡判定を行うことによって、前記マスク外領域から触媒残存部分を検出する第４の工程と、
前記第４の工程によって検出された触媒残存部分に基づいて、前記燃料電池用触媒塗布膜の良否を判定する第５の工程と、
を備える燃料電池用触媒塗布膜の検査方法。