JP6958433B2 - 検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、検査装置に関する。

特許文献１には、触媒電極であるアノードまたはカソードの表面欠陥を検出する不良検出部を備えた燃料電池用の触媒電極形成装置が記載されている。不良検出部は、ＣＣＤカメラによって構成されるラインカメラまたはエリアカメラを備え、このカメラによりアノードまたはカソードの表面を、面に対して垂直な方向から連続的に撮像する。撮像された画像のデータは制御部で解析され、アノードまたはカソードの表面欠陥（皺および傷等）の有無および欠陥の位置が判定される（段落００２７および図３等）。

特開２０１５−０５６２９５号公報

燃料電池の製造方法は、アノードと電解質膜とカソードとを接合して膜電極接合体（ＭＥＡ）を製造する工程と、ＭＥＡの一方の面に一方のガス拡散層を接合し、さらにＭＥＡの他方の面に他方のガス拡散層を接合する工程を含む。
ＭＥＡ上に接合されたガス拡散層の表面に割れおよび剥がれ等の欠陥がある場合、発電時に生成される水が上記欠陥によって形成される空間内に入り込んでガス流路を閉塞する、上記欠陥によって形成される空間を介してガスがリークするなどして、発電性能が低下する恐れがある。

ＭＥＡの一方の面にガス拡散層を接合した後、接合体の一方の表面であるＭＥＡの表面と、接合体の他方の表面であるガス拡散層の表面の欠陥検査を行うことが好ましい。
ＭＥＡの表面は、特許文献１に記載のようにＣＣＤカメラを用いて光学的に検査することができる。しかしながら、ガス拡散層は、表層と内部が同じ構造を有するため、割れおよび剥がれ等のある欠陥部と正常部を光学的に高精度に識別することが難しい。仮に欠陥部と正常部を光学的に識別できるとしても、ガス拡散層の表面欠陥を光学的に高精度に検出するには、高分解能を有する高価なカメラが必要となり、コストが高くつく。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ガス拡散層上に膜電極接合体が接合された燃料電池製造用の接合体におけるガス拡散層側の表面欠陥の有無を簡易に低コストに検査することが可能な検査装置を提供することを目的とする。

本発明の検査装置は、
ガス拡散層上に膜電極接合体が接合された燃料電池製造用の接合体の前記ガス拡散層側の表面欠陥の有無を検査する検査装置であって、
上流側の端部と下流側の端部とを有する、前記接合体を搬送する第１のコンベアと、
前記第１のコンベアの前記下流側の端部に対向して配置され、前記第１のコンベアの前記下流側の端部上を通る前記接合体の表面の一部を支持するガイドと、
前記第１のコンベアに対して前記接合体の搬送方向に間隔を空けた位置で、かつ、前記第１のコンベアの上面より低い位置に上面を有するように配置された第２のコンベアとを備え、
前記第１のコンベアの前記下流側の端部と前記ガイドとの間から出るときの撓みが相対的に小さく、前記第１のコンベアから前記第２のコンベアに移ることができる前記接合体を良品と判定し、
前記第１のコンベアの前記下流側の端部と前記ガイドとの間から出るときの撓みが相対的に大きく、前記第１のコンベアと前記第２のコンベアとの間隙から下方に脱落する前記接合体を不良品と判定するものである。

本発明によれば、ガス拡散層上に膜電極接合体が接合された燃料電池製造用の接合体におけるガス拡散層側の表面欠陥の有無を簡易に低コストに検査することが可能な検査装置を提供することができる。

本発明に係る一実施形態の固体高分子型燃料電池の単セルの模式断面図である。 本発明に係る一実施形態の検査装置の全体模式断面図である。 図２の検査装置の部分拡大図である。 図２の検査装置における良品と不良品の振り分けの様子を示す図である。 図２の検査装置における良品と不良品の振り分けの様子を示す図である。

［燃料電池］
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の燃料電池の構成について、説明する。ここでは、固体高分子型燃料電池を例として説明するが、本発明は任意の燃料電池に適用可能である。図１は、固体高分子型燃料電池の単セルの模式断面図である。

図１に示す単セル２は、膜電極接合体２７（Membrane Electrode Assembly、ＭＥＡ）と、一対のガス拡散層２３、２４と、一対のガスセパレータ２５、２６とを備えている。ＭＥＡ２７は、電解質膜２０と、電解質膜２０の一方の面（図示右面）に形成された触媒電極であるアノード２１と、電解質膜２０の他方の面（図示左面）に形成された触媒電極であるカソード２２との接合体である。アノード２１の外面に一方のガス拡散層（アノード側ガス拡散層）２３が接合され、その外側に一方のガスセパレータ（アノード側ガスセパレータ）２５が接合されている。カソード２２の外面に他方のガス拡散層（カソード側ガス拡散層）２４が接合され、その外側に他方のガスセパレータ（アノード側ガスセパレータ）２６が接合されている。

電解質膜２０は、高分子電解質を含み、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す膜である。電解質膜２０としては、側鎖末端にスルホ基（−ＳＯ_３Ｈ基）を有するパーフルオロスルホン酸ポリマー等のフッ素含有樹脂を含むプロトン伝導性のイオン交換膜等が好ましい。

触媒電極であるアノード２１およびカソード２２は好ましくは、触媒金属を担持させたカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質とを含むことができる。触媒金属としては、白金、または、白金とルテニウム等の他の金属とを含む白金合金等が挙げられる。高分子電解質としては、側鎖末端にスルホ基（−ＳＯ_３Ｈ基）を有するパーフルオロスルホン酸ポリマー等が挙げられる。この高分子電解質は、電解質膜２０を構成する高分子電解質と同一でも非同一でもよい。

ガス拡散層２３、２４は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材からなる。ガス拡散層２３、２４は、導電性多孔質材料からなる基材上に、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を塗布し、乾燥および焼成してマイクロポーラス層を形成することで、製造することができる。基材としては、発泡金属および金属メッシュ等の金属部材；カーボンクロスおよびカーボンペーパー等のカーボン部材等が挙げられる。マイクロポーラス層形成用ペースト組成物は好ましくは、カーボン等の導電性材料とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性材料と分散媒とを含むことができる。

ガスセパレータ２５、２６は、ガス不透過な導電性部材からなる。ガスセパレータ２５、２６としては、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン部材；プレス成形したステンレス鋼等の金属部材等が挙げられる。アノード側ガスセパレータ２５には複数の燃料ガス流路２８が形成され、カソード側ガスセパレータ２６には複数の燃料ガス流路２９が形成されている。燃料ガスとしては、水素ガスおよびメタノールガス等が挙げられる。酸化ガスとしては、酸素ガスおよび空気等が挙げられる。
なお、単セル２の構造は適宜設計変更することができる。

［検査装置］
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の検査装置の構成とこれを用いた検査方法について、説明する。図２は、検査装置の全体模式断面図である。

燃料電池の製造方法は、アノードと電解質膜とカソードとを接合して膜電極接合体（ＭＥＡ）を製造する工程と、ＭＥＡの一方の面に一方のガス拡散層を接合し、さらにＭＥＡの他方の面に他方のガス拡散層を接合する工程を含む。
検査装置１は、一方のガス拡散層２３（または２４）上に膜電極接合体（ＭＥＡ）２７が接合された燃料電池製造用の接合体３について、ガス拡散層２３（または２４）の表面欠陥の割れおよび剥がれ等の表面欠陥の有無を検査する装置である。

図２に示すように、検査装置１は、上流側の端部（図示左端部）と下流側の端部（図示右端部）とを有する、接合体３を搬送する第１のコンベア１１と、第１のコンベア１１の下流側の端部に対向して配置され、第１のコンベア１１の下流側の端部上を通る接合体３の表面の一部を支持するガイド１２と、第１のコンベア１１に対して接合体３の搬送方向に間隔を空けた位置で、かつ、第１のコンベア１１の上面１１Ｓより低い位置に上面１３Ｓを有するように配置された第２のコンベア１３とを備える。

図示するように、検査装置１は、第１のコンベア１１の上方に、第１のコンベア１１上を通る接合体３の上側の表面であるＭＥＡ２７の表面の欠陥検査を行う検査用カメラ１６を備えることが好ましい。検査用カメラ１６は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ等からなるラインカメラまたはエリアカメラである。この構成では、接合体３が第１のコンベア１１上を流れる間に、ＭＥＡ２７の表面の欠陥検査を行うことができる。ＣＣＤカメラ等によって構成されるラインカメラまたはエリアカメラを用いた表面欠陥検査については、［背景技術］の項で挙げた特許文献１等を参照されたい。

図３に示すように、ガイド１２は、接合体３を支持する平坦部１２Ａとその搬送方向後方（図示左方）に繋がって上方に向かって傾斜する傾斜部１２Ｂとを含むことが好ましい。ガイド１２において、傾斜部１２Ｂは接合体３の受入部として機能する部分である。かかる構成では、接合体３が第１のコンベア１１とガイド１２との間に入るときの間口を広くできるため、接合体３がガイド１２の下に入りやすく、ガイド１２の存在によって接合体３の流れが阻害されることを抑制することができる。

図３に部分拡大して示すように、接合体３は、第１のコンベア１１の下流側の端部とガイド１２との間から出るときに飛び出た部分が重力を受けて下方に撓む。ここで、接合体３は、ガス拡散層２３（または２４）上にＭＥＡ２７が接合されたものであるから、接合体３の下側の表面がガス拡散層２３（または２４）の表面である。

図４Ａに示すように、ガス拡散層２３（または２４）の上記表面（図示下側表面）に割れおよび剥がれ等の欠陥がない場合、この表面近傍の空隙率が良品のレベルであり、第１のコンベア１１の下流側の端部とガイド１２との間から飛び出るときの接合体３の撓みが、不良品に対して相対的に小さい。第１のコンベア１１の下流側の端部とガイド１２との間から出るときの撓みが相対的に小さい良品の接合体３は、第１のコンベア１１から第２のコンベア１３に移ることができる。図２に示すように、第２のコンベア１３の搬送方向前方（図示右方）にトレイ１４を設置し、第２のコンベア１３によって搬送された良品の接合体３をトレイ１４内に回収し、後工程に供するようにしてもよい。

図４Ｂに示すように、ガス拡散層２３（または２４）の上記表面（図示下側表面）に割れおよび剥がれ等の欠陥がある場合、この表面近傍の空隙率が良品より高くなるため、第１のコンベア１１の下流側の端部とガイド１２との間から飛び出たときの撓みが、良品に対して相対的に大きくなる。第１のコンベア１１の下流側の端部とガイド１２との間から出るときの撓みが相対的に大きい不良品の接合体３は、第１のコンベア１１から第２のコンベア１３に移ることができず、第１のコンベア１１と第２のコンベア１３との間隙から下方に脱落する。脱落した不良品の接合体３を回収するための第３のコンベア１５を設置し、この上を流れてきた不良品の接合体３を廃棄するようにしてもよい。

なお、図２、図３、図４Ａ、図４Ｂにおいて、接合体３の縮尺は適宜異ならせてある。また、図３、図４Ａ、図４Ｂにおいて、接合体３の撓みは実際より誇張して記載してある。その他の要素についても、適宜模式的に図示してある。

第１のコンベア１１と第２のコンベア１３との間の離間距離は、良品の接合体３は第１のコンベア１１から第２のコンベア１３に移ることができ、不良品の接合体３は第１のコンベア１１から第２のコンベア１３に移ることができず、第１のコンベア１１と第２のコンベア１３との間隙から下方に脱落する距離に設定されている。
検査装置１では、第１のコンベア１１の下流側の端部とガイド１２との間から出るときの撓みが相対的に小さく、第１のコンベア１１から第２のコンベア１３に移ることができる接合体３を良品と判定し、第１のコンベア１１の下流側の端部とガイド１２との間から出るときの撓みが相対的に大きく、第１のコンベア１１と第２のコンベア１３との間隙から下方に脱落する接合体３を不良品と判定することができる。

ガス拡散層は、表層と内部が同じ構造を有するため、割れおよび剥がれ等のある欠陥部と正常部を光学的に識別することが難しい。仮に欠陥部と正常部を光学的に識別できるとしても、ガス拡散層の表面欠陥を光学的に高精度に検出するには、高分解能を有する高価なカメラが必要となり、コストが高くつく。
本実施形態では、高分解能のカメラを必要とする光学的検査を行わずに、撓み量の違いを利用して、簡易に低コストにガス拡散層２３（または２４）の表面欠陥の有無を簡易に検査し、自動的に良品と不良品とを振り分けることができる。

検査装置１は必要に応じて、ＭＥＡ２７の表面欠陥を検査するための検査用カメラ１６を備えることができる。この場合、接合体３の上下を反転させることなく、ＭＥＡ２７の下にガス拡散層２３（または２４）がある状態のまま、ＭＥＡ２７の表面とガス拡散層２３（または２４）の表面の欠陥検査を同じ装置を用いて効率よく実施することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ガス拡散層上に膜電極接合体が接合された燃料電池製造用の接合体におけるガス拡散層側の表面欠陥の有無を簡易に低コストに検査することが可能な検査装置１を提供することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜設計変更が可能である。

１ 検査装置
２ 燃料電池の単セル
３ 接合体
１１ 第１のコンベア
１１Ｓ 第１のコンベアの上面
１２ ガイド
１２Ａ 平坦部
１２Ｂ 傾斜部
１３ 第２のコンベア
１３Ｓ 第２のコンベアの上面
１４ トレイ
１５ 第３のコンベア
１６ 検査用カメラ
２０ 電解質膜
２１ アノード
２２ カソード
２３、２４ ガス拡散層
２７ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
２８ 燃料ガス流路
２９ 燃料ガス流路

Claims (1)

1. ガス拡散層上に膜電極接合体が接合された燃料電池製造用の接合体の前記ガス拡散層側の表面欠陥の有無を検査する検査装置であって、
   上流側の端部と下流側の端部とを有する、前記接合体を搬送する第１のコンベアと、
   前記第１のコンベアの前記下流側の端部に対向して配置され、前記第１のコンベアの前記下流側の端部上を通る前記接合体の表面の一部を支持するガイドと、
   前記第１のコンベアに対して前記接合体の搬送方向に間隔を空けた位置で、かつ、前記第１のコンベアの上面より低い位置に上面を有するように配置された第２のコンベアとを備え、
   前記第１のコンベアの前記下流側の端部と前記ガイドとの間から出るときの撓みが相対的に小さく、前記第１のコンベアから前記第２のコンベアに移ることができる前記接合体を良品と判定し、
   前記第１のコンベアの前記下流側の端部と前記ガイドとの間から出るときの撓みが相対的に大きく、前記第１のコンベアと前記第２のコンベアとの間隙から下方に脱落する前記接合体を不良品と判定する、検査装置。

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