JP6176220B2 - 検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、膜電極接合体等のワークを検査する検査装置に関する。

特許文献１には、セラミックシートの両面を、平行に配置される２枚の電極板で挟み、該電極間に直流高電圧を印加したときに発生する放電電流を検出することにより、該セラミックシート中に存在することのある貫通孔の有無を検査する検査装置が記載されている。

特開２００２−９０３４６号公報

しかしながら、従来の検査装置を燃料電池の膜電極接合体の検査に用いる場合には、以下の課題がある。膜電極接合体は、カーボン材料及び水分を含んでいる。そのため、電圧印加時には、カーボンと水とが反応（C＋2H₂O→CO₂＋4H⁺＋4e^-）して、電流が流れ、発熱する。一方、燃料電池の膜電極接合体（ワーク）は、外縁部における絶縁性を確保するために、段付き部を有する構造を有している。そのため、従来の検査装置では、段付き部と電極との間に隙間が生じる。隙間は、空気断熱層として機能するため、段付き部では熱を十分に放熱できずに温度が上昇し、ワークを劣化させるおそれがある。

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。

（１）本発明の一形態によれば、段付き部を有するワークを検査する検査装置が提供される。この検査装置は、前記ワークを挟み、前記ワークに電圧を印加する一対の電極板と、前記段付き部と前記一対の電極板のうちの第１の電極板との間に隙間が生じないように配置される伝熱部材と、を備える。段付き部と一対の電極板のうちの第１の電極板との間に隙間が存在すると、その隙間に断熱性の高い空気が存在することになる。ワークに電圧を印加し、ワークの段付き部の温度が上がった場合、空気が断熱材として機能し熱を伝えないので、ワークの段付き部の温度が上がりすぎてワークを劣化させるおそれがあるが、この形態によれば、伝熱部材を用いて段付き部の熱を放熱できるので、段付き部の温度上昇を抑制でき、ワークの劣化を抑制できる。

（２）上記形態の検査装置において、前記伝熱部材はフッ素樹脂製のシートであってもよい。フッ素樹脂は、絶縁性を有し、熱的、化学的に安定した物質であり、空気の１０倍の熱伝導率を有しているので、伝熱部材として好ましい。

（３）上記形態の検査装置において、前記第１の電極板は、前記伝熱部材と一体になって前記段付き部と嵌合可能な形状を有しており、前記段付き部に接触してもよい。電極板は一般に金属で形成されており、空気よりも熱伝導性が大きい。この形態では、一方の電極板は伝熱部材と一体になって前記段付き部と嵌合可能な形状を有しており、前記段付き部に接触しているため、伝熱部材としても機能し、段付き部の温度上昇を抑制し、ワークの劣化を抑制できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、膜電極接合体等のワークを検査する検査装置の他、検査装置における放熱構造等の形態で実現することができる。

膜電極接合体の検査装置の概略構成を示す説明図。 実施形態における一対の電極板とその間に挟まれた膜電極接合体を拡大して示す説明図。 比較例における一対の電極板とその間に挟まれた膜電極接合体を拡大して示す説明図。 電解質膜の膜厚と耐電圧の関係を示す説明図。 膜電極接合体を検査したときの電流の測定波形。 膜電極接合体を検査したときの電流の測定波形。 湿度と電圧印加速度と膜電極接合体に流れるピーク電流との関係を示す説明図。 本発明の変形例を示す説明図。 本発明の別の変形例を示す説明図。

図１は、膜電極接合体の検査装置の概略構成を示す説明図である。検査装置２０は、直流電源２００と、電流検知器２１０と、一対の電極板２２０、２３０と、ロードセル２６０と、基盤２７０と、押圧機構２８０と、を備える。直流電源２００は、電極板２２０、２３０の間に印加する電圧を供給する。電流検知器２１０は、電極板２２０、２３０間に流れる電流を検知する。電極板２２０、２３０は、膜電極接合体１００（「ワーク１００」とも呼ぶ。）を挟んで、基盤２７０の上に配置されている。電極板２２０、２３０は、膜電極接合体１００に電圧を印加する。電極板２２０の上には、ロードセル２６０が配置され、さらにその上に押圧機構２８０が配置されている。押圧機構２８０は、膜電極接合体１００に面圧を付与する。ロードセル２６０は、膜電極接合体１００に掛かる面圧を電気信号として出力する。ロードセル２６０の出力信号から、膜電極接合体１００に掛かる面圧を測定できる。

図２は、実施形態における一対の電極板とその間に挟まれた膜電極接合体を拡大して示す説明図である。検査対象である膜電極接合体１００は、電解質膜１１０と、カソード側触媒層１２０と、アノード側触媒層１３０と、カソード側ガス拡散層１４０と、アノード側ガス拡散層１５０とを備える。膜電極接合体１００の外縁を囲うように２枚の伝熱シート２４０、２５０が配置されている。

電解質膜１１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜であり、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマのようなフッ素系電解質樹脂（イオン交換樹脂）が用いられる。カソード側触媒層１２０と、アノード側触媒層１３０は、触媒（例えば白金）を担持したカーボンを有している。本実施形態では、アノード側触媒層１３０は電解質膜１１０の第１面の全領域にわたって塗工されているが、カソード側触媒層１２０は電解質膜１１０の第２面のうちの一部の領域（発電領域）のみに塗工されている。この理由は、アノード側触媒層１３０は、カソード側触媒層１２０に比べて単位面積当たりの触媒量が少なくて良い（典型的には１／２以下であり、例えば約１／３）ので、電解質膜１１０の第１面の全領域に触媒を塗工しても過度の無駄とはならない反面、塗工工程が簡単になるからである。また、カソード側触媒層１２０を電解質膜１１０の第２面のうちの一部の領域（発電領域）のみに塗工することにより、膜電極接合体１００の外縁部における絶縁性を確保することが可能となる。

カソード側触媒層１２０の上には、カソード側ガス拡散層１４０が配置され、アノード側触媒層１３０の上には、アノード側ガス拡散層１５０が配置されている。カソード側ガス拡散層１４０及びアノード側ガス拡散層１５０は、カーボンペーパーで形成されている。ただし、カーボンペーパーの代わりにカーボン不織布で形成されていてもよい。

膜電極接合体１００の電解質膜１１０の第２面の外縁部には、カソード側触媒層１２０やカソード側ガス拡散層１４０が存在していない。すなわち、膜電極接合体１００は、外縁部に段付き部１１５を備える構成を有している。

伝熱シート２４０は、内側にカソード側触媒層１２０とカソード側ガス拡散層１４０を嵌め込むことが可能な額縁形状を有している。伝熱シート２４０は、膜電極接合体１００の電解質膜１１０の第２面の外縁部の段付き部１１５と隙間なく接している。伝熱シート２５０は、内側にアノード側触媒層１３０とアノード側ガス拡散層１５０を嵌め込むことが可能な額縁形状を有している。伝熱シート２４０、２５０は、テフロン（登録商標）のようなフッ素樹脂製のシートである。フッ素樹脂は、絶縁性を有し、熱的、化学的に安定した物質である。伝熱シート２４０、２５０は、後述するように、膜電極接合体１００に生じた熱を放熱するための伝熱部材として利用される。フッ素樹脂は、空気の約１０倍の熱伝導率を有している。絶縁性を有し、熱伝導率が空気に比べて十分に高い（例えば５倍以上）材料であれば、フッ素樹脂以外の他の材料で伝熱シート２４０、２５０を形成しても良い。例えば、窒化アルミニウム、アルミナのようなセラミック系材料を用いても良い。

図３は、比較例における一対の電極板とその間に挟まれた膜電極接合体を拡大して示す説明図である。比較例では、２枚の伝熱シート２４０、２５０が配置されない点が、実施形態と異なる。

膜電極接合体１００を検査する場合、電極板２２０、２３０により膜電極接合体１００に所定の面圧を掛けて、電圧を印加する。膜電極接合体１００の電解質膜１１０、カソード側触媒層１２０、アノード側触媒層１３０は、水分を含んでおり、カソード側触媒層１２０、アノード側触媒層１３０は、触媒を担持するカーボンを備えている。かかる状態で、膜電極接合体１００に電圧を印加すると、以下式（１）の反応が起こり、電流が流れる。
Ｃ ＋ ２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ （１）

大きな電流が流れるほど膜電極接合体１００の発熱も大きい。生じた熱は、図２、図３に示す矢印の様に移動する。図３に示す比較例では、膜電極接合体の段付き部１１５の上は、空気であり、段付き部１１５は、どことも接触していない。すなわち、段付き部１１５の上側は、空気断熱されており、放熱されにくい。そのため、段付き部１１５において、膜電極接合体１００が劣化するおそれがある。これに対し、図２に示す実施形態では、段付き部１１５の上側に伝熱シート２４０を備える。熱は、段付き部１１５から伝熱シート２４０を通って第１の電極板２２０に放熱される。したがって、段付き部１１５に熱がこもらず、膜電極接合体１００の劣化を抑制できる。伝熱シート２４０、２５０を用いなかった場合には、膜電極接合体の外縁（段付き部１１５）に、電解質膜１１０に変色や溶融が生じたが、伝熱シート２４０、２５０を用いた場合には、電解質膜１１０に変色や溶融が生じなかった。

図４は、電解質膜の膜厚と、耐電圧の関係を示す説明図である。電解質膜１１０の膜厚が薄くなると、耐電圧（絶縁破壊に至る電圧）が小さく、膜厚が厚くなると、耐電圧が大きくなることがわかる。異物が電解質膜１１０を押し込むと、その部分の膜厚が薄くなる。異物のある場所では、膜厚が薄いため、低い電圧でも絶縁破壊が起こり、耐電圧が低くなる。耐電圧の大きさで、電解質膜１１０の膜厚（最も薄い膜厚）を評価できる。

図５、図６は、膜電極接合体を検査したときの電流の測定波形である。図５は、膜電極接合体１００に異物が含まれていない場合の測定波形であり、図６は、膜電極接合体１００に異物が含まれている場合の測定波形である。膜電極接合体１００に異物が含まれる場合には、その部分において、膜電極接合体１００の膜厚が薄くなる。約２５０ｃｍ^２の膜電極接合体１１０を電極板２２０、２３０で挟み、１Ｍｐａの面圧を掛け、０．２Ｖ／ｓｅｃの速度で電圧を上げながら印加した。膜電極接合体１００に異物が含まれていない場合には、図５に示すように、膜電極接合体１００に掛かる電圧を５Ｖ強まで上げても、絶縁破壊は生じなかったが、膜電極接合体１００に異物が含まれている場合には、図６に示すように、膜電極接合体１００に掛かる電圧を約３Ｖまで上げたときに、絶縁破壊が生じた。図６に示す例では、電解質膜１１０に膜厚は、異物により、約３μｍまで薄くなっていると考えられる。以上のことから、本実施形態によれば、膜電極接合体１００に、５Ｖ以下の電圧を印加することで、電解質膜１１０に膜厚が３μｍ以下の薄い部分があるか否かを検査することが、可能である。

図７は、湿度と電圧印加速度と約１３ｃｍ^２の膜電極接合体に流れるピーク電流との関係を示す説明図である。湿度は、検査装置が配置される雰囲気の相対湿度（％ＲＨ）を意味する。雰囲気の相対湿度に係らず、電圧印加速度が大きいほど、膜電極接合体１００に流れるピーク電流は大きくなる。したがって、電圧印加速度は、小さい方が好ましい。なお、電圧印加速度が小さいと総電荷量（電流を時間積分した値）が多くなり、上述した反応式（Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻）によるカーボン酸化による影響が大きくなるため、電圧印加速度を小さくしすぎないことが好ましい。

また、グラフからわかるように、相対湿度が４０％ＲＨ以下となれば、膜電極接合体１００に流れるピーク電流に大きな違いは無い。したがって、相対湿度は小さい方がよく、４０％ＲＨ以下とすることが好ましい。なお、雰囲気の相対湿度が小さければ、電解質膜１１０、カソード側触媒層１２０、アノード側触媒層１３０から水分が蒸発して、上記式（１）の反応が起こりにくくなり、ピーク電流が少なくなると考えられる。したがって、雰囲気の相対湿度を小さくする代わりに、例えば、膜電極接合体１００に電圧（例えば５Ｖ）を印加する前に、膜電極接合体１００を、加熱して膜電極接合体１００の水分を少なくすることが好ましい。例えば、膜電極接合体１００を、温度８０℃で３０秒間加熱しても良い。

以上、本実施形態によれば、検査装置２０は、伝熱シート２４０、２５０を備えており、伝熱シート２４０、２５０を伝熱部材として用いて、膜電極接合体１００の段付き部１１５に生じた熱を放熱させるため、膜電極接合体１００の段付き部１１５に熱がこもらず、膜電極接合体の劣化を抑制できる。また、本実施形態では、伝熱シート２４０、２５０としてフッ素樹脂製のシートを用いる。フッ素樹脂は、絶縁性を有し、熱的、化学的に安定した物質であり、空気の１０倍の熱伝導率を有しているので、伝熱部材として好ましい。

変形例：
図８は、本発明の変形例を示す説明図である。図８に示す変形例は、図２に示す実施形態と比較すると、伝熱シート２５０を備えていない点が異なる。この変形例によっても、段付き部１１５は、伝熱シート２４０と接しているため、伝熱シート２４０を介して段付き部１１５の熱を放熱できる。なお、図８では、伝熱シート２４０の外縁の大きさは、膜電極接合体１００の外縁の大きさとほぼ同じであるが、図２の伝熱シート２４０のように、膜電極接合体１００の外縁の大きさよりも大きくしても良い。

図９は本発明の別の変形例を示す説明図である。図９に示す変形例は、図２に示す実施形態と比較すると、伝熱シート２４０、２５０を備えていない代わりに、第１の電極板２２０の形状が異なっている。図９に示す変形例では、第１の電極板２２０は、膜電極接合体１００側に段付き部１１５と嵌合可能な凹部２２５を有しており、凹部２２５に膜電極接合体１００のカソード側触媒層１２０とカソード側ガス拡散層１４０を嵌め込めるようになっている。すなわち、第１の電極板２２０は、図２に示す本実施形態の電極板２２０と、伝熱シート２４０とを一体にしたような形状を有している。この変形例によれば、第１の電極板２２０が段付き部１１５に接触しているため、電極板２２０を介して段付き部１１５の熱を放熱できる。なお、第２の電極板２３０についても、アノード側触媒層１３０とアノード側ガス拡散層１５０を嵌め込めるような凹部を備えていても良い。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

２０…検査装置
１００…膜電極接合体（ワーク）
１１０…電解質膜
１１５…段付き部
１２０…カソード側触媒層
１３０…アノード側触媒層
１４０…カソード側ガス拡散層
１５０…アノード側ガス拡散層
２００…直流電源
２１０…電流検知器
２２０…電極板
２２５…凹部
２３０…電極板
２４０…伝熱シート
２５０…伝熱シート
２６０…ロードセル
２７０…基盤
２８０…押圧機構

Claims (1)

1. 段付き部を有するワークを検査する検査装置であって、
   前記ワークを挟み、前記ワークに電圧を印加する一対の電極板と、
   前記段付き部と前記一対の電極板のうちの第１の電極板との間に隙間が生じないように配置される伝熱部材と、
   を備え、
   前記伝熱部材は、フッ素樹脂製のシートである、検査装置。

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