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JP4583722B2 - Method for detecting pinhole and method for producing membrane electrode assembly - Google Patents
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JP4583722B2 - Method for detecting pinhole and method for producing membrane electrode assembly - Google Patents

Method for detecting pinhole and method for producing membrane electrode assembly Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の高分子膜のような膜やフィルムにピンホールが発生しているか否かを検査するピンホール検出方法及びメンブレインエレクトロードアッセンブリ(以下MEA)の生産方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は運転温度が低く、出力密度が高いという特徴があることから、次世代自動車の動力源、家庭用コージェネレーションシステムの電池として開発が進められている。燃料電池は積層体(以下スタック)を容器に収納した構造を有する。スタックは、電解膜を燃料極と空気極で挟んだ構造を有するMEAと、隣接するMEAの間に挟み込まれた導電性のガス分離・供給板であるセパレータとからなる基本構成単位(以下モジュール)を、数10個(個数は必要な出力電圧に応じて定められる。)積層した構造を有する。MEAは燃料極であるアノード触媒層、電解膜である高分子膜、空気極であるカソード触媒層の3層を導電性のガス拡散層(以下GDL(Gas Diffusion Layer))で挟み込んだ構成であり、燃料電池の心臓部である。例えば各層の厚さは、アノード触媒層が15μm、高分子膜が30μm、カソード触媒層が15μmである。
【0003】
製造段階におけるMEAの不良原因として最も多いのは、高分子膜に数μmの微少なピンホールが発生することである。ピンホールのない正常なMEAを燃料電池として使用すると、燃料極において水素(燃料ガス)が電子と分離してイオン化し、電解質中を水素イオンが移動し、空気極で水素イオンが電子と再結合して水素に戻り、次いで空気中の酸素と結合して水になる。この場合、水素と酸素とから水が生成される反応のギブズ自由エネルギーは、極めて高い効率で直接電気エネルギー(電解質中を水素イオンが移動する駆動力)に変換される。ピンホールがあると、燃料極の水素がイオン化せずに気体のままで空気極に移動し、空気極で触媒により酸素と結合して水になる。この場合、ギブズ自由エネルギーは電気エネルギーでなく熱エネルギーとしてその場で放出される。MEAはピンホールにおいて局部的に加熱され、劣化する。これが進行すると、電池が特性不良になる。
【0004】
固体高分子型燃料電池の製造において、電解膜である高分子膜にピンホールが発生しているか否かを検査し、ピンホールが発生している高分子膜を不良品として排除する工程が設けられる。従来例のピンホール検出方法においては、完成したスタックの特性を検査し、そのスタックに不良のモジュールが含まれているか否かを検査していた。検査した結果、スタックに特性不良のモジュールが含まれていることを発見した場合、スタックの中の不良モジュールを交換していた。しかし、完成したスタックを分解し、不良のモジュールを交換し、再びスタックを組み立てる作業は、多大な労力を必要とする。スタックに組み立てられた状態になる前に、好ましくはMEAに組み立てられた状態になる前に、高分子膜にピンホールがあるか否かを検査し、ピンホールを有する高分子膜を生産工程から排除できれば、組み立てられたスタック又はMEAの歩留まりを大幅に向上させ、実効的な製造工数を大幅に低減することが出来る。
【0005】
MEAの製造方法としては、塗工工法等がある。
塗工工法はPET(Polyethylene Terephthalate)等のベースとなる保持物の上に順次、アノード触媒層、高分子膜、カソード触媒層を塗布していくMEAの製造方法である。ピンホール発生原因は、高分子膜塗布時に高分子材料中に入り込んだ気泡等によりピンホールが発生すること、及びアノード触媒層に微細な隙間があって、高分子膜塗布時にその隙間に高分子材料が吸い込まれてピンホールが発生することの2つである。両方の場合とも、高分子膜を塗布後にピンホールの有無を検査する必要がある。その場合は、非透明な触媒層が高分子膜の下に存在した状態で、透明又は半透明の高分子膜にピンホールがあるか否かを検査しなければならない。
【0006】
従来、数多くのピンホール検出方法が提案されており、例えば、検査対象物であるテープ状で透明又は半透明のフィルムを挟んで配置されたハロゲン光源と光センサとのセットを、フィルム走行方向に沿って2箇所設置する。ハロゲン光源が透明又は半透明のフィルムに光を照射する。光センサがフィルムの透過光を受光する。ピンホールがあると、光センサの受光量がピンホールがない所と較べて大幅に増大する。このことを利用して、フィルム上のピンホールを検出する方法がある(特許文献1参照)。この方法は、検査対象物である透明又は半透明の膜やフィルムに非透明な膜やフィルムを密着して貼り付けた膜やフィルムのピンホール検出には適用できない。
【0007】
また他の方法として、赤色の剥離フィルムと透明フィルムとを積層した検査対象物である偏光フィルムを支持台に載置する。剥離フィルムの赤色と補色関係に有る緑の照明光を偏光フィルムに照射し、検査者はその反射光を観察する。剥離フィルムに入射した緑の光は、赤色の剥離フィルムに吸収されて見えない。透明フィルムの表面で反射した緑の光のみが、検査者の目に届く。検査者は、偏光フィルムの透明フィルムの表側(剥離フィルムと接する側を裏側とする。)にあるピンホールを含む表面の凹凸、表面に付着したゴミ等のみを検出できる方法がある(特許文献2参照)。この方法は、偏光フィルムの表面の凹凸、汚れ等を検出する方法であって、透明フィルムを貫通するピンホールのみを検出できない。又、透明フィルムの透明度が高い場合にも使用できない。この方法は、例えば表面の凹凸は問題にならず、透明フィルムを貫通するピンホールのみが不良の原因となる燃料電池のMEAの高分子膜やフィルムのピンホール検出には使用できない。
【0008】
さらに他の方法として、光源、偏光板、検査対象物である透明のシート、他の偏光板、受光部の順に配置する。光源から透明のフィルムに光を照射し、受光部が偏光板、透明のシート及び他の偏光板を透過した光を検出する方法がある(特許文献3参照)。この方法も、検査対象物である透明又は半透明の膜やフィルムに非透明な膜やフィルムを密着して貼り付けた膜やフィルムのピンホール検出には適用できない。
【0009】
【特許文献1】
特開2000−146861号公報
【特許文献2】
特開2001−108630号公報
【特許文献3】
特開平06−18445号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、非透明な膜やフィルム上に存在する透明又は半透明の検査対象物の膜やフィルムに存在するピンホールを検出するためには、検出方法は下記の4つの条件を具備することが必要である。▲1▼数μmのサイズのピンホールを検出する検出感度を有すること、▲2▼非破壊検査であり且つ非接触検査であること、▲3▼非真空状態で検査できること(高分子膜は、真空中に入れるとダメージを受ける。)、▲4▼非透明な面(例えば膜)上に存在する透明又は半透明の膜やフィルムのピンホールを検出できることである。従来、これらの4つの条件を具備するピンホール検出方法はなかった。
【0011】
本発明はこれらの条件を満たし、非透明な膜やフィルム上に存在する透明又は半透明の検査対象物の膜やフィルムに存在する数μmのピンホールを的確に検出することができるピンホール検出方法及びメンブレインエレクトロードアッセンブリの生産方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、非透明のアノード触媒層の上に形成された透明又は半透明の高分子膜(検査対象物)のピンホールの有無を検出する方法であって、高分子膜に前記アノード触媒層が蛍光を発しにくい短波長の照射光を照射して前記高分子膜から光を発生させ、通過波長が前記照射光の波長より長波長側において前記高分子膜から発生した光の光量がピークとなる波長の付近の帯域にある受光波長フィルタを用い、前記高分子膜から発生した光を前記受光波長フィルタを通過させて受光し、前記受光した光の光量に基づいて、前記高分子膜のピンホールの有無を検出することを特徴とするピンホール検出方法である。
【0013】
本発明は、検査対象物の構成物質の量に応じた反応光を検知することにより、例えば反射型の構成であれば照射光の入力面と反対側の面の状態によらず、ピンホールの存在を高精度、非破壊・非接触に検査可能であり、非透明な膜やフィルム上に存在する透明又は半透明の検査対象物に存在する数μmのピンホールを的確に検出することができる。
また、照射光が紫外光であり、検査対象物が前記紫外光に反応して発生する蛍光の光量がピークとなる波長付近の波長の光のみを受光することを特徴とする。
【0014】
ある種の有機物(例えばパーフルオロスルホン酸膜等の高分子膜)は、紫外光で励起すると、蛍光である強い反応光を発生する。一方で、燃料電池のMEA等で高分子膜の下層に形成される触媒層は、短波長の光を照射しても蛍光を発しにくい。本発明は、例えば燃料電池のMEAの製造工程において、触媒層の上に形成された高分子膜に発生したピンホールを高感度で検出することができる。
また照射光が可視光であり、検査対象物が前記可視光によりラマン散乱をおこすことにより発生する光の光量がピークとなる波長付近の波長の光のみを受光することを特徴とする。
【0015】
物質(例えばパーフルオロスルホン酸膜等の高分子膜)を可視光又は近赤外光で励起すると、その物質の分子の形に応じてラマン散乱が発生する。発生するラマン散乱光は、波長が照射光の波長からずれ、物質の分子の形に応じて異なる波長の細いピークを持つ。ラマン散乱光の波長は、物質の分子の形に応じて異なる。それ故、例えば燃料電池のMEA等の高分子膜と、その下層に形成される触媒層とは、ラマン散乱光の波長が異なる。ラマン散乱光のスペクトルの半値幅は狭い故に、高分子膜のラマン散乱光と、触媒層のラマン散乱光とを弁別することは容易である。
本発明は、ラマン散乱光のピーク波長付近の光量に基づいて、非透明の膜上に形成された透明又は半透明の膜に発生したピンホールを高感度で検出することができる。
本発明によれば、例えば燃料電池のMEA等の高分子膜の下層に形成される触媒層が、紫外光を照射すると蛍光を発生する場合でも、検査対象物である高分子膜のピンホールを検出できる。
【0016】
また照射光がX線であり、検査対象物が前記X線に反応することにより発生する蛍光X線の強度がピークとなる波長付近の波長のX線のみを受光することを特徴とする。
ある種の有機物(例えばパーフルオロスルホン酸膜等の高分子膜)は、X線で励起すると、蛍光X線である強い反応光を発生する。一方で、燃料電池のMEA等で高分子膜の下層に形成される触媒層は、X線を照射しても蛍光X線を発しない。本発明は、例えば燃料電池のMEAの製造工程において、触媒層の上に形成された高分子膜に発生したピンホールを高感度で検出することができる。
【0017】
さらに、ベース上に所定の材料を塗布してアノード触媒層を生成し、その上に他の所定の材料を塗布して高分子膜を生成し、前記高分子膜のピンホールの有無を検査し、前記検査で良品と判定された場合にのみ、その上に別の所定の材料を塗布してカソード触媒層を生成することを特徴とするメンブレインエレクトロードアッセンブリの生産方法である。
【0018】
本発明によれば、完成したMEAの歩留まりが極めて良い故に、スタックを完成後、特性不良によりスタックを修理する率が大幅に低下する。本発明は、歩留まりが良く、塗工工法による、後の工程における修理工数を低減できるMEAの生産方法を実現する。本発明の生産方法により、安価な燃料電池を実現できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について図面とともに記載する。
【0020】
《実施の形態1》
以下、本発明の実施の形態1のピンホール検出装置、ピンホール検出方法及びMEAの生産方法について図1から図4を用いて説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係るピンホール検出装置の構成を示す図である。図1において、2は高分子膜、1は高分子膜2に生じたピンホール、3は触媒層、4はベースフィルム、5は照明光源、6は照明波長フィルタ、7は投光レンズ、8は照明光源5が出力した照明光、9は波長がシフトした光、10は受光レンズ、11は受光波長フィルタ、12は光センサ、13はピンホール検出部、14はモニタテレビ、15は制御部、16はX軸駆動部、17はY軸駆動部、18はワークチャック、19はX軸、20はY軸である。
【0021】
検査対象物(高分子膜2、触媒層3及びベースフィルム4)は、燃料電池のMEAの製作の途中工程の状態である。本実施の形態におけるMEAの生産方法を説明する。最初に、ベース上に所定の材料を塗布して厚さ15μmのアノード触媒層3を生成する。触媒層3はカーボン等の導電体に白金等の触媒を混入した、黒色の非透明な物質である。次に、触媒層3の上に他の所定の材料を塗布して厚さ30μmの透明又は半透明の高分子膜2を生成する。高分子膜2はパーフルオロスルホン酸膜等の透明な物質である。ここまで作った状態で、高分子膜2にピンホールがあるか否かを以下に説明するピンホール検出方法で検査する。図1に示す高分子膜2、触媒層3及びベースフィルム4は、高分子膜の生成を完了した時点の物である。検査において高分子膜2に所定の閾値以上のピンホールがないと判定した場合にのみ、その上に別の所定の材料を塗布してカソード触媒層を生成する。このようにして、塗工工法によりMEAを高い歩留まりで生産する。
ここで、「所定の閾値」とは任意の値である。例えば閾値は、1つのピンホールの大きさの閾値である。閾値は固定の閾値でも良く、浮動閾値でも良い。例えば画像を微分処理した結果に対して、所定の閾値を適用して良否判定しても良い。
【0022】
図1の説明に戻る。ワークチャック18、X軸19及びY軸20は、検査用ステージに含まれる。制御部15は、X軸駆動部16及びY軸駆動部17を制御し、検査用ステージのワークチャック18をX軸方向、Y軸方向に駆動する。検査用ステージのワークチャック18は、ベースフィルム4上に触媒層3及び検査対象物である高分子膜2を形成した物を載置する。
【0023】
本実施の形態のピンホール検出装置及びピンホール検出方法は、検査対象物である高分子膜2に存在する1μm程度のピンホール1を検出することを目的とする。
水銀ランプである照明光源5から発せられた光のうち、照明波長フィルタ6は、波長が300nm以下の紫外光だけを通過させる。照明波長フィルタ6を通過した光は、投光レンズ7により集光されて照明光8として、検査対象物に照射される。照明光8は、後述する検査視野より広い範囲を照射するエリア照明である。
検査対象物に照射された照明光8は、検査対象物を励起して、波長が長波長側にシフトした蛍光9に変化する。蛍光9は、受光レンズ10により集光される。
受光波長フィルタ11は受光レンズ10により集光された蛍光9のうち、波長が320nmから430nmの波長の光のみを通過させる。光センサ12は、受光レンズ10を通過した光を受光する。
光センサ12は、受光波長フィルタ11を通過した蛍光を電気的な検出信号に変換して、ピンホール検出部13に出力する。実施の形態の光センサ12はエリアCCDである。
【0024】
実施の形態1において、検査対象物のサイズは100mm×100mmである。ピンホール検出装置は、検査対象物の全面を検査する必要がある。
1μmのピンホール1を検出するために、画素分解能を1μmに設定している。光センサ12は、2000画素×2000画素のものを使用し、検査視野サイズは2mm×2mmと設定している。
図3に示すように、制御部15は、検査視野サイズのピッチで検査対象物を移動させる。光センサ12が画像を入力して、ピンホール検出部13が画像処理することを2500視野について行う。
【0025】
光センサ12の電子シャッター機能を利用して、ピンホール検査の高速化を行なっている。制御部15が1視野毎にX軸駆動部16を停止させてから光センサ12が画像を入力するのではなく、X軸駆動部16が検査対象物をX軸方向に一定速度で移動させながら、光センサ12は電子シャッター機能を動作させた状態で連続的に画像を入力し、ピンホール検出部13は入力した画像を処理する。検査対象物をY軸方向に1視野分移動させる時は、制御部15がY軸駆動部17を停止させてから光センサ12が画像を入力する。すなわち、検査対象物を検査視野に対してX軸方向及びY軸方向に相対的に走査する。実施の形態において、ピンホール検出部13が0.05秒以内に画像処理を完了させることにより、ピンホール検出装置は2mm×2mmの1視野あたり0.05秒で検査を行うことができる。図3に示すように、X軸駆動部16が主走査方向のX軸方向に40mm/秒の速度で検査対象物を移動させながら、光センサ12は0.05秒毎に、0.0001秒の電子シャッターで画像を入力する。ピンホール検出装置は、検査対象物の全面の検査を125秒で完了することができる。
【0026】
ピンホール検出部13は、A/D変換器131、画像処理部132、画像判定部133、画像生成部134を有する。ピンホール検出部13は、以下説明する方法により高分子膜にピンホールがあるか否かを検出し、検出結果を出力する。
実施の形態1において、ピンホール検出部13は、パーソナルコンピュータである。
A/D変換器131は、光センサ12の出力信号をデジタル信号に変換する。
画像処理部132及び画像判定部133は、CPUがソフトウエアにより実行する機能である。画像処理部132は、光センサ12が受光した蛍光の強度(光量)に応じた明暗画像を1視野毎に作成し、明暗画像を画像判定部133へ出力する。
画像判定部133は、画像処理部132によって作成された蛍光の強度に応じた1視野毎の明暗画像を基にして、ピンホール1が存在する箇所とサイズを判定する。
【0027】
画像生成部134は、1検査視野毎に、ピンホール1が存在する箇所とサイズを示す画像を生成する。モニタテレビ14は、この画像を表示する。図2は、画像生成部134が生成した画像の一例を示す。
ピンホール1が存在する部分では、蛍光が発生しないため暗くなっている。画像判定部133は、この暗くなっている部分を画像処理により検出する。例えば、光センサ12の受光量が所定の閾値未満である領域を抽出し、ラベリングにより面積と重心位置を計算することにより、ピンホール1の存在箇所と大きさを計算できる。作業者はモニタテレビ14により各画像を確認でき、又はメンテナンス時に他の画面をモニタテレビ14に表示させて便宜を図ることができる。画像判定部133は、ピンホール1の大きさに基づいて、自動的に検査対象物の良否判定を行なっても良い。
【0028】
受光波長フィルタ11について説明する。受光波長フィルタ11は波長が320nm〜430nmの光のみを通過するフィルタとしている。この理由を図4を用いて説明する。
図4のグラフは波長280nmの紫外光を励起光として高分子膜2と触媒層3に照射し、分光光度計により、それぞれの分光特性を計測したデータである。高分子膜2又は触媒層3は励起光に反応して、励起光より長波長側にシフトした光を発する。図4は、高分子膜2と触媒層3とが発する光のスペクトル強度を表すものである。高分子膜2は光量のピークが367.6nmに存在する。一方、触媒層3は全波長域において、光量が小さい。従って、波長が367.6nm付近では、高分子膜2が存在する部分とピンホール1が生じている部分との光量の差がはっきりとしている。
【0029】
図4に示すように、受光波長フィルタ11により蛍光のピークである波長が367.6nm付近の光のみを抽出すれば、高いS/N比で高分子膜2が存在する箇所とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを弁別することが可能となる。これに基づいて、受光波長フィルタ11は図4の網掛けに示すように、320nm〜430nmの波長の光のみを通過するフィルタとしている。受光波長フィルタ11の通過帯域は、励起光の波長(280nm)を含まないので、更に高いS/N比で高分子膜2が存在する箇所とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを弁別できる。
受光波長フィルタ11を用いなければ、S/N比が低下して、検出性能が低下する。また蛍光を用いず、単に白色光を検査対象物に照射して、その反射光の強さによりピンホールを検査した場合、高分子膜2の表面の凹凸による明暗と、ピンホール1の有無による明暗の切り分けができず、ピンホール1を検出することができない。
【0030】
次に励起光として紫外光(波長=280nm)を選択した理由、及び照明波長フィルタ6について説明する。励起光の波長を変更しながら、上記の分光光度計により、高分子膜2からの蛍光強度を計測した結果、波長が短いほど、蛍光強度が強いことが判った。比較的低コストで入手できる短波長の光源として水銀ランプがあるが、水銀ランプの最短の波長のピークは280.4nmである。従って、照明波長フィルタ6は300nm以下の波長の光のみを通過するフィルタとし、280.4nmをピークとする紫外光を検査対象物に照明している。
【0031】
本実施の形態において、検査対象物は触媒層3の上に高分子膜2が形成されている状態であったが、高分子膜単体でも検査可能である。
検出原理上、高分子膜2の量と蛍光光量との間には相関関係がある。画像判定部133が出力する明暗画像の濃淡のデータを利用することにより、ピンホール1のみならず、高分子膜2の量が変動する高分子膜2内部の気泡や、高分子膜2の厚さむら等も検出可能である。
本実施の形態においては入射光源はエリア照明、光センサ12はエリアCCDとしたが、ライン照明とラインCCDの組み合わせや、点照明とフォトマル等の点受光素子の組み合わせを用いて、検査対象物を走査してもよい。
画像処理により、ピンホール1を検出する方法は、固定の閾値でなく、浮動閾値でも良い。また、微分処理を用いても良い。
【0032】
本実施の形態で説明した方法により燃料電池用の高分子膜のピンホール検査を実施し、直径1μm以上のピンホール1が存在しないことを確認した高分子膜2を使用して、MEAを製造する。これにより、MEAの良品率を大幅に向上できる。後の工程で高分子膜の欠陥が発見された場合に比べて、生産上の工数ロスを大幅に削減できる。
【0033】
《実施の形態2》
以下、本発明の実施の形態2のピンホール検出装置、ピンホール検出方法及びMEAの生産方法について、図1、図5、図6を用いて説明する。本実施の形態のピンホール検出装置の全体的構成は、図1で示した実施の形態1のピンホール検出装置の全体的構成と同一である。以下、異なる部分についてのみ説明する。
実施の形態2のピンホール検出装置は、照明光源5、照明波長フィルタ6及び受光波長フィルタ11のみが実施の形態1のものと異なる。実施の形態2の照明光源5は、ハロゲンランプであり、照明波長フィルタ6は、波長が745nm〜755nmの光のみを通過させるフィルタとなっている。検査対象物には波長が745〜755nmの波長帯域を持った可視光が、照明光8として照射される。
受光波長フィルタ11は波長が780nm〜840nmの光のみを通過させるフィルタとなっている。
【0034】
この様な構成にした理由及び、実施の形態1に比べての利点を図4、図5、図6を用いて説明する。
実施の形態1では、触媒層3はカーボン等の導電体に白金等の触媒を混入した黒色の非透明な物質であり、紫外光により励起した場合の発光は図4に示すように全波長域において十分小さかった。しかし、触媒層3は燃料電池の性能を左右する重要な要因であり、改良が重ねられている。改良の主なポイントは触媒や導電体の原料の変更である。触媒層3の原料が変更された場合に、その原料が蛍光を強く発生する場合がある。
図5の触媒2に示すように、触媒層3が高分子膜2が発する光量に近い光量の蛍光を発生する場合がある。図5の特性においては、高分子膜2とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを弁別することが困難である。この場合、実施の形態1の方法ではピンホールの検出が困難となる。
【0035】
物質が励起光により反応し、光の波長が長波長側にシフトする現象として、蛍光とは別に、ラマン散乱という現象がある。ラマン散乱の特徴は、蛍光のように太い巾の波長域ではなく、物質固有の、細い巾の波長域で発光のピークが現れることである。一般に、励起光の波長が可視光以上の場合にラマン散乱は出やすい。
【0036】
図6のグラフは波長750nmの可視光を励起光として高分子膜2と触媒層3に照射し、分光光度計により、それぞれの分光特性を計測したデータである。
図6のグラフにおいて、高分子膜2のデータは実測値、触媒層3のデータは予測値である。ラマン散乱の場合は、別の物質が同じ所でピークを持つことは原理的にあり得ないので、図中に示すように、波長の異なった所でピークを持つ。
従って、図6の図中に示すように、780nm〜840nmの波長の光のみを通過する受光波長フィルタ11を用いることにより、高分子膜2とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを高いS/N比で弁別することが可能となる。
実施の形態2の方法により、改良のため触媒層3の原料が変更され、触媒層3が紫外光によりやや強めの蛍光を発生する場合も確実に高分子膜2に存在するピンホール1を検出することが可能となる。
【0037】
なお、本実施の形態では照明光源5は低コスト化を目的としてハロゲンランプを使用しているが、レーザを用いても良い。レーザを用いた場合、光源自身の波長域が狭いので、照明波長フィルタ6が不要になる場合もある。
本実施の形態では照明光源5が照明波長フィルタ6を通じて発する光の波長として750nmを使用した。ラマン散乱は可視光から近赤外光で発生するので、照明波長は可視光(約400nm〜約750nm)又は近赤外光(波長が約750nm〜約2500nm)でも良い。照明波長を変えた場合、受光波長フィルタ11の通過帯域は、それに応じて変更する必要がある。
【0038】
本実施の形態で説明した方法により燃料電池用の高分子膜のピンホール検査を実施し、直径1μm以上のピンホール1が存在しないことを確認した高分子膜2を使用して、MEAを製造する。これにより、MEAの良品率を大幅に向上できる。後の工程で高分子膜の欠陥が発見された場合に比べて、生産上の工数ロスを大幅に削減できる。
【0039】
《実施の形態3》
本発明の実施の形態3のピンホール検出装置、ピンホール検出方法及びMEAの生産方法について図7、図8を参照しながら説明する。
図7は、実施の形態3のピンホールの検出装置の構成を示す図である。図7において、実施の形態1のピンホール検出装置と同一のブロックには同一の符号を付している。実施の形態1と同一のブロックの説明を省略し、異なるブロックについてのみ説明する。実施の形態1と異なるところは、実施の形態1の照明光源5、照明波長フィルタ6、投光レンズ7に換えて、X線源71を設け、受光波長フィルタ11及び光センサ12に換え、X線フィルタ72、X線シンチレータ73、CCDカメラ74を設けた点である。
【0040】
物質にX線を照射すると、物質に吸収されたX線の一部が各元素の種類によって固有のエネルギー(波長)を持った蛍光X線となって放出される。この蛍光X線をX線シンチレータ73により可視化し、CCDカメラ74で検出する。この蛍光X線の波長は物質固有の値である。実施の形態3のピンホール検出装置においては、この物質固有の波長域のみを通過させるX線フィルタ72をX線シンチレータ73の前に設置することにより、ピンホールの有無を検出し、検出結果を画像化して出力する。
【0041】
X線を用いてピンホールを検査するメリットを図8を用いて説明する。図8は連続X線を高分子膜2と触媒層3に照射した場合の分光特性を表す図である。高分子膜2に起因して、波長が約0.3Åの付近で鋭いピークを持った蛍光X線が発生している。この部分の波長の蛍光X線を通過させるX線フィルタ72をニッケル等の金属により製作して設置する。ピンホール検出部13は、CCDカメラ74が検出した画像データを入力し、ピンホールを検出する。この構成により、高分子膜2とピンホール1である高分子膜2の存在しない箇所とを高いS/N比で弁別することが可能となる。
【0042】
本実施の形態で説明した方法により燃料電池用の高分子膜のピンホール検査を実施し、直径1μm以上のピンホール1が存在しないことを確認した高分子膜2を使用して、MEAを製造する。これにより、MEAの良品率を大幅に向上できる。後の工程で高分子膜の欠陥が発見された場合に比べて、生産上の工数ロスを大幅に削減できる。
【0043】
上記の実施の形態においては、塗工工法で製造する燃料電池のMEAの高分子膜のピンホール検出を行った。本発明の適用対象はこれに限られるものではなく、例えば透明又は半透明の高分子膜を単体の状態で検査し、そこに存在するピンホールを検出することもできる。この場合、光源と受光部とが検査対象物である透明又は半透明の高分子膜に対して同じ側に配置された構成でも良く、又は光源と受光部とが検査対象物である透明又は半透明の高分子膜を挟んで配置された構成でも良い。上記のいずれかの方法により物質の欠落を検出できるものであれば、検査対象物は非透明であっても良い。
本発明は、厚さの有る物体の表面に形成された薄膜のピンホールを検出することにも適用できる。
なお、本発明の実施の形態においては、検査対象物を高分子膜としたが、これに限られるものではなく、単体の薄いフィルム、多層に積層されたフィルムであってもよい。
【0044】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のピンホール検出方法によれば、検査対象物となるフィルムの構成物質が反応する光をフィルムに照射光として照射し、その光に反応してフィルムが発生した光のうち、特定の波長域の光のみを検出し、検出された光量に基づいて、ピンホールを検査する。
本発明によれば、高分子膜に生じた数μmのピンホールを的確に検出することができるピンホール検出装置及びピンホール検出方法を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、非透明な膜上に存在する透明又は半透明の検査対象物の膜に存在する数μmのピンホールを的確に検出することができるという有利な効果が得られる。
【0045】
本発明によれば、後の工程における修理工数を大幅に低減する、塗工工法によるMEAの生産方法を実現できるという有利な効果が得られる。本発明によれば安価な燃料電池を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1のピンホール検出装置の構成を示す図
【図2】本発明の実施の形態1のピンホール検出装置が出力したピンホールを含む画像の一例を示す図
【図3】本発明の実施の形態1のピンホール検出装置が検査対象物の全面を検査する動作を示す図
【図4】高分子膜及び触媒に紫外光を照射したときに発する蛍光の波長分布を示すグラフ
【図5】高分子膜及び2種類の触媒に紫外光を照射したときに発する蛍光の波長分布を示すグラフ
【図6】高分子膜及び触媒に可視光を照射したときに生じるラマン散乱の波長分布を示すグラフ
【図7】本発明の実施の形態3のピンホール検出装置の構成を示す図
【図8】高分子膜及び触媒にX線を照射したときに発する蛍光X線波長分布を示すグラフ
【符号の説明】
1 ピンホール
2 高分子膜
3 触媒層
4 フィルムベース
5 照明光源
6 照明波長フィルタ
7 投光レンズ
8 照明光
9 物質が発生した光
10 受光レンズ
11 受光波長フィルタ
12 光センサ
13 ピンホール検出部
14 モニタテレビ
15 制御部
16 X軸駆動部
17 Y軸駆動部
18 ワークチャック
19 X軸
20 Y軸
71 X線源
72 X線フィルタ
73 X線シンチレータ
74 CCDカメラ
132 画像処理部
133 画像判定部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pinhole detection method for inspecting whether or not a pinhole is generated in a film or film such as a polymer film of a fuel cell, and a method for producing a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA).
[0002]
[Prior art]
Solid polymer fuel cells are characterized by low operating temperature and high output density, and are therefore being developed as power sources for next-generation automobiles and batteries for household cogeneration systems. A fuel cell has a structure in which a laminate (hereinafter referred to as a stack) is housed in a container. The stack is a basic structural unit (hereinafter referred to as a module) composed of an MEA having a structure in which an electrolytic membrane is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a separator that is a conductive gas separation / supply plate sandwiched between adjacent MEAs. 10 are stacked (the number is determined according to the required output voltage). The MEA has a structure in which an anode catalyst layer that is a fuel electrode, a polymer membrane that is an electrolytic membrane, and a cathode catalyst layer that is an air electrode are sandwiched between conductive gas diffusion layers (hereinafter referred to as GDL (Gas Diffusion Layer)). The heart of the fuel cell. For example, the thickness of each layer is 15 μm for the anode catalyst layer, 30 μm for the polymer membrane, and 15 μm for the cathode catalyst layer.
[0003]
The most common cause of MEA failure in the manufacturing stage is the occurrence of minute pinholes of several μm in the polymer film. When a normal MEA without a pinhole is used as a fuel cell, hydrogen (fuel gas) is separated from electrons at the fuel electrode and ionized, hydrogen ions move in the electrolyte, and hydrogen ions recombine with electrons at the air electrode. It returns to hydrogen and then combines with oxygen in the air to become water. In this case, the Gibbs free energy of the reaction in which water is generated from hydrogen and oxygen is directly converted into electric energy (driving force for moving hydrogen ions in the electrolyte) with extremely high efficiency. If there is a pinhole, the hydrogen of the fuel electrode is not ionized and moves to the air electrode as a gas, and is combined with oxygen by the catalyst at the air electrode to become water. In this case, Gibbs free energy is released in situ as thermal energy rather than electrical energy. The MEA is locally heated in the pinhole and deteriorates. As this progresses, the battery becomes defective.
[0004]
In the manufacture of polymer electrolyte fuel cells, there is a process to check whether or not pinholes are generated in the polymer membrane, which is an electrolytic membrane, and to eliminate the polymer membranes that have pinholes as defective products It is done. In the pinhole detection method of the conventional example, the characteristics of the completed stack are inspected to determine whether or not the defective module is included in the stack. As a result of inspection, when it is found that a module having a characteristic failure is included in the stack, the defective module in the stack is replaced. However, the work of disassembling the completed stack, replacing the defective module, and reassembling the stack requires a great deal of labor. Before being assembled into the stack, preferably before being assembled into the MEA, it is inspected whether the polymer film has pinholes, and the polymer film having pinholes is removed from the production process. If it can be eliminated, the yield of the assembled stack or MEA can be greatly improved, and the effective number of manufacturing steps can be greatly reduced.
[0005]
Examples of the MEA manufacturing method include a coating method.
The coating method is an MEA manufacturing method in which an anode catalyst layer, a polymer film, and a cathode catalyst layer are sequentially applied onto a base material such as PET (Polyethylene Terephthalate). The cause of pinhole generation is that pinholes are generated due to bubbles or the like that have entered the polymer material when the polymer film is applied, and there are fine gaps in the anode catalyst layer. The material is sucked in and pinholes are generated. In both cases, it is necessary to inspect the presence or absence of pinholes after applying the polymer film. In that case, it is necessary to inspect whether there is a pinhole in the transparent or translucent polymer film in a state where the non-transparent catalyst layer exists under the polymer film.
[0006]
Conventionally, a number of pinhole detection methods have been proposed. For example, a set of a halogen light source and an optical sensor arranged with a transparent or translucent film as a test object sandwiched between them in the film running direction. Install two places along. A halogen light source irradiates light onto a transparent or translucent film. An optical sensor receives light transmitted through the film. When there is a pinhole, the amount of light received by the photosensor is greatly increased as compared with a place where there is no pinhole. There is a method of detecting pinholes on the film by utilizing this (see Patent Document 1). This method cannot be applied to pinhole detection of a film or film in which a non-transparent film or film is adhered and adhered to a transparent or translucent film or film that is an inspection object.
[0007]
As another method, a polarizing film which is an inspection object in which a red release film and a transparent film are laminated is placed on a support base. The polarizing film is irradiated with green illumination light that is complementary to the red color of the release film, and the inspector observes the reflected light. The green light incident on the release film is absorbed by the red release film and cannot be seen. Only green light reflected by the surface of the transparent film reaches the inspector's eyes. There is a method in which an inspector can detect only surface irregularities including pinholes on the front side of the transparent film of the polarizing film (the side in contact with the release film is the back side), dust attached to the surface, and the like (Patent Document 2). reference). This method is a method for detecting unevenness, dirt, etc. on the surface of the polarizing film, and cannot detect only pinholes penetrating the transparent film. Also, it cannot be used when the transparency of the transparent film is high. For example, this method cannot be used for detection of pinholes in MEA polymer films or films of fuel cells in which surface irregularities do not matter and only pinholes penetrating the transparent film cause defects.
[0008]
As another method, a light source, a polarizing plate, a transparent sheet as an inspection object, another polarizing plate, and a light receiving unit are arranged in this order. There is a method in which light is emitted from a light source to a transparent film, and a light receiving unit detects light transmitted through a polarizing plate, a transparent sheet, and another polarizing plate (see Patent Document 3). This method is also not applicable to pinhole detection of a film or film in which a non-transparent film or film is adhered and adhered to a transparent or translucent film or film that is an inspection object.
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2000-146861 A
[Patent Document 2]
JP 2001-108630 A
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 06-18445
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to detect pinholes existing in a film or film of a transparent or semi-transparent inspection object existing on a non-transparent film or film, the detection method has the following four conditions. It is necessary. (1) It has a detection sensitivity for detecting pinholes of several μm in size, (2) It is a non-destructive inspection and a non-contact inspection, and (3) It can be inspected in a non-vacuum state. (4) It is possible to detect pinholes in a transparent or translucent film or film existing on a non-transparent surface (for example, a film). Conventionally, there has been no pinhole detection method having these four conditions.
[0011]
The present invention satisfies these conditions, and pinhole detection that can accurately detect pinholes of several μm existing in a film or film of a transparent or translucent inspection object existing on a nontransparent film or film It is an object of the present invention to provide a method and a method for producing a membrane electrode assembly.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is a method for detecting the presence or absence of pinholes in a transparent or translucent polymer film (inspection object) formed on a non-transparent anode catalyst layer, The anode catalyst layer emits fluorescence on the molecular film. Hateful Irradiate with short wavelength light To generate light from the polymer film , The passing wavelength is longer than the wavelength of the irradiation light In the band near the wavelength at which the amount of light generated from the polymer film peaks A light receiving wavelength filter is used to receive the light generated from the polymer film through the light receiving wavelength filter and detect the presence or absence of pinholes in the polymer film based on the amount of the received light; This is a pinhole detection method characterized.
[0013]
The present invention detects the reaction light according to the amount of the constituent material of the test object, for example, in the case of a reflection type configuration, regardless of the state of the surface opposite to the input surface of the irradiation light, Existence can be inspected with high accuracy, non-destructive and non-contact, and pinholes of several μm existing in transparent or translucent inspection objects existing on non-transparent films and films can be accurately detected. .
Further, the irradiation light is ultraviolet light, and the inspection object receives only light having a wavelength near a wavelength at which the amount of fluorescence generated in response to the ultraviolet light reaches a peak.
[0014]
Certain organic substances (for example, polymer films such as perfluorosulfonic acid films) generate strong reaction light that is fluorescent when excited with ultraviolet light. On the other hand, the catalyst layer formed in the lower layer of the polymer film by MEA or the like of the fuel cell hardly emits fluorescence even when irradiated with light having a short wavelength. The present invention can detect pinholes generated in a polymer film formed on a catalyst layer with high sensitivity, for example, in a MEA manufacturing process of a fuel cell.
Further, the irradiation light is visible light, and only the light having a wavelength in the vicinity of the wavelength at which the amount of light generated when the inspection target causes Raman scattering by the visible light reaches a peak is received.
[0015]
When a substance (for example, a polymer film such as a perfluorosulfonic acid film) is excited with visible light or near infrared light, Raman scattering occurs depending on the molecular shape of the substance. The generated Raman scattered light has a narrow peak with a wavelength that is different from the wavelength of the irradiation light and that varies depending on the molecular shape of the substance. The wavelength of the Raman scattered light varies depending on the molecular shape of the substance. Therefore, for example, the polymer film such as MEA of the fuel cell and the catalyst layer formed thereunder have different wavelengths of Raman scattered light. Since the half-value width of the spectrum of Raman scattered light is narrow, it is easy to discriminate between the Raman scattered light of the polymer film and the Raman scattered light of the catalyst layer.
The present invention can detect pinholes generated in a transparent or translucent film formed on a non-transparent film with high sensitivity based on the amount of light around the peak wavelength of Raman scattered light.
According to the present invention, for example, even when a catalyst layer formed in a lower layer of a polymer membrane such as MEA of a fuel cell emits fluorescence when irradiated with ultraviolet light, the pinhole of the polymer membrane that is an inspection object is formed. It can be detected.
[0016]
Further, the irradiation light is X-rays, and only X-rays having a wavelength in the vicinity of a wavelength at which the intensity of fluorescent X-rays generated when the inspection object reacts to the X-rays reaches a peak are received.
Certain organic substances (for example, polymer films such as perfluorosulfonic acid films) generate intense reaction light that is fluorescent X-rays when excited by X-rays. On the other hand, the catalyst layer formed in the lower layer of the polymer film by MEA or the like of the fuel cell does not emit fluorescent X-rays even when irradiated with X-rays. The present invention can detect pinholes generated in a polymer film formed on a catalyst layer with high sensitivity, for example, in a MEA manufacturing process of a fuel cell.
[0017]
Furthermore, a predetermined material is applied on the base to form an anode catalyst layer, and another predetermined material is applied thereon to form a polymer film, and the presence or absence of pinholes in the polymer film is inspected. The membrane electrode assembly production method is characterized in that a cathode catalyst layer is formed by applying another predetermined material thereon only when it is determined to be a non-defective product in the inspection.
[0018]
According to the present invention, since the yield of the completed MEA is extremely good, the rate at which the stack is repaired due to poor characteristics after the stack is completed is greatly reduced. The present invention realizes a MEA production method that has a good yield and can reduce the number of repair steps in a later process by a coating method. An inexpensive fuel cell can be realized by the production method of the present invention.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments that specifically show the best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0020]
Embodiment 1
Hereinafter, a pinhole detection device, a pinhole detection method, and a MEA production method according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a pinhole detection device according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, 2 is a polymer film, 1 is a pinhole generated in the polymer film 2, 3 is a catalyst layer, 4 is a base film, 5 is an illumination light source, 6 is an illumination wavelength filter, 7 is a light projection lens, 8 Is the illumination light output from the illumination light source 5, 9 is the light whose wavelength is shifted, 10 is the light receiving lens, 11 is the light receiving wavelength filter, 12 is the optical sensor, 13 is the pinhole detector, 14 is the monitor TV, 15 is the controller , 16 is an X-axis drive unit, 17 is a Y-axis drive unit, 18 is a work chuck, 19 is an X-axis, and 20 is a Y-axis.
[0021]
The inspection objects (the polymer film 2, the catalyst layer 3, and the base film 4) are in a state of an intermediate process of manufacturing the MEA of the fuel cell. An MEA production method in the present embodiment will be described. First, a predetermined material is applied on the base to produce the anode catalyst layer 3 having a thickness of 15 μm. The catalyst layer 3 is a black non-transparent substance in which a catalyst such as platinum is mixed in a conductor such as carbon. Next, another predetermined material is applied on the catalyst layer 3 to form a transparent or translucent polymer film 2 having a thickness of 30 μm. The polymer film 2 is a transparent material such as a perfluorosulfonic acid film. In the state made up to this point, whether or not there is a pinhole in the polymer film 2 is inspected by a pinhole detection method described below. The polymer membrane 2, the catalyst layer 3, and the base film 4 shown in FIG. 1 are those at the time when the production of the polymer membrane is completed. Only when it is determined in the inspection that the polymer film 2 does not have a pinhole of a predetermined threshold value or more, another predetermined material is applied thereon to form a cathode catalyst layer. In this way, MEA is produced with a high yield by the coating method.
Here, the “predetermined threshold value” is an arbitrary value. For example, the threshold value is a threshold value for the size of one pinhole. The threshold value may be a fixed threshold value or a floating threshold value. For example, a pass / fail judgment may be made by applying a predetermined threshold to the result of differential processing of the image.
[0022]
Returning to the description of FIG. The work chuck 18, the X axis 19 and the Y axis 20 are included in the inspection stage. The control unit 15 controls the X-axis drive unit 16 and the Y-axis drive unit 17 to drive the work chuck 18 of the inspection stage in the X-axis direction and the Y-axis direction. The work chuck 18 of the inspection stage mounts the base film 4 on which the catalyst layer 3 and the polymer film 2 as the inspection object are formed.
[0023]
The pinhole detection device and the pinhole detection method of the present embodiment are intended to detect a pinhole 1 of about 1 μm existing in a polymer film 2 that is an inspection object.
Of the light emitted from the illumination light source 5 which is a mercury lamp, the illumination wavelength filter 6 passes only ultraviolet light having a wavelength of 300 nm or less. The light that has passed through the illumination wavelength filter 6 is collected by the light projecting lens 7 and irradiated onto the inspection object as illumination light 8. The illumination light 8 is area illumination that irradiates a wider range than the inspection visual field described later.
The illumination light 8 applied to the inspection object excites the inspection object and changes to fluorescence 9 whose wavelength is shifted to the long wavelength side. The fluorescence 9 is collected by the light receiving lens 10.
The light receiving wavelength filter 11 passes only light having a wavelength of 320 nm to 430 nm out of the fluorescence 9 collected by the light receiving lens 10. The optical sensor 12 receives light that has passed through the light receiving lens 10.
The optical sensor 12 converts the fluorescence that has passed through the light receiving wavelength filter 11 into an electrical detection signal and outputs the electrical detection signal to the pinhole detector 13. The optical sensor 12 of the embodiment is an area CCD.
[0024]
In the first embodiment, the size of the inspection object is 100 mm × 100 mm. The pinhole detection device needs to inspect the entire surface of the inspection object.
In order to detect the pinhole 1 of 1 μm, the pixel resolution is set to 1 μm. The optical sensor 12 uses 2000 pixels × 2000 pixels, and the inspection visual field size is set to 2 mm × 2 mm.
As shown in FIG. 3, the control unit 15 moves the inspection object at a pitch of the inspection visual field size. The optical sensor 12 inputs an image, and the pinhole detection unit 13 performs image processing for 2500 visual fields.
[0025]
The electronic shutter function of the optical sensor 12 is used to speed up pinhole inspection. The optical sensor 12 does not input an image after the control unit 15 stops the X-axis driving unit 16 for each field of view, but the X-axis driving unit 16 moves the inspection object at a constant speed in the X-axis direction. The optical sensor 12 continuously inputs images with the electronic shutter function operated, and the pinhole detector 13 processes the input images. When the inspection object is moved by one field of view in the Y-axis direction, the optical sensor 12 inputs an image after the control unit 15 stops the Y-axis driving unit 17. That is, the inspection object is scanned relative to the inspection visual field in the X-axis direction and the Y-axis direction. In the embodiment, when the pinhole detection unit 13 completes the image processing within 0.05 seconds, the pinhole detection device can perform inspection in 0.05 seconds per 2 mm × 2 mm visual field. As shown in FIG. 3, the optical sensor 12 moves the inspection object at a speed of 40 mm / second in the X-axis direction of the main scanning direction while the X-axis drive unit 16 moves 0.0001 seconds every 0.05 seconds. Input an image with the electronic shutter. The pinhole detection apparatus can complete the inspection of the entire surface of the inspection object in 125 seconds.
[0026]
The pinhole detection unit 13 includes an A / D converter 131, an image processing unit 132, an image determination unit 133, and an image generation unit 134. The pinhole detector 13 detects whether or not there is a pinhole in the polymer film by the method described below, and outputs the detection result.
In the first embodiment, the pinhole detection unit 13 is a personal computer.
The A / D converter 131 converts the output signal of the optical sensor 12 into a digital signal.
The image processing unit 132 and the image determination unit 133 are functions that the CPU executes by software. The image processing unit 132 creates a bright and dark image corresponding to the intensity (light quantity) of fluorescence received by the optical sensor 12 for each field of view, and outputs the bright and dark image to the image determination unit 133.
The image determination unit 133 determines the location and size of the pinhole 1 based on the bright and dark image for each field of view corresponding to the fluorescence intensity created by the image processing unit 132.
[0027]
The image generation unit 134 generates an image indicating the location and size of the pinhole 1 for each inspection visual field. The monitor television 14 displays this image. FIG. 2 shows an example of an image generated by the image generation unit 134.
The portion where the pinhole 1 exists is dark because no fluorescence is generated. The image determination unit 133 detects this dark part by image processing. For example, the location and size of the pinhole 1 can be calculated by extracting a region where the amount of light received by the optical sensor 12 is less than a predetermined threshold and calculating the area and the center of gravity position by labeling. The operator can check each image on the monitor television 14, or can display other screens on the monitor television 14 at the time of maintenance for convenience. The image determination unit 133 may automatically determine the quality of the inspection object based on the size of the pinhole 1.
[0028]
The light receiving wavelength filter 11 will be described. The light receiving wavelength filter 11 is a filter that passes only light having a wavelength of 320 nm to 430 nm. The reason for this will be described with reference to FIG.
The graph of FIG. 4 is data obtained by irradiating the polymer film 2 and the catalyst layer 3 with ultraviolet light having a wavelength of 280 nm as excitation light and measuring the respective spectral characteristics with a spectrophotometer. The polymer film 2 or the catalyst layer 3 reacts with the excitation light and emits light shifted to the longer wavelength side than the excitation light. FIG. 4 shows the spectral intensity of light emitted from the polymer film 2 and the catalyst layer 3. The polymer film 2 has a light intensity peak at 367.6 nm. On the other hand, the catalyst layer 3 has a small amount of light in the entire wavelength region. Therefore, when the wavelength is around 367.6 nm, the difference in the amount of light between the portion where the polymer film 2 exists and the portion where the pinhole 1 occurs is clear.
[0029]
As shown in FIG. 4, if only light having a fluorescence peak wavelength of around 367.6 nm is extracted by the light receiving wavelength filter 11, the pinhole 1 and the portion where the polymer film 2 exists with a high S / N ratio. It is possible to discriminate from a place where a certain polymer film 2 does not exist. Based on this, the light receiving wavelength filter 11 is a filter that passes only light having a wavelength of 320 nm to 430 nm, as shown by the shaded area in FIG. Since the pass band of the light receiving wavelength filter 11 does not include the wavelength of the excitation light (280 nm), the portion where the polymer film 2 exists at a higher S / N ratio and the portion where the polymer film 2 that is the pinhole 1 does not exist Can be discriminated.
If the light receiving wavelength filter 11 is not used, the S / N ratio is lowered and the detection performance is lowered. Further, when the inspection object is simply irradiated with white light without using fluorescence, and the pinhole is inspected by the intensity of the reflected light, it depends on the brightness and darkness of the surface of the polymer film 2 and the presence or absence of the pinhole 1. It is impossible to distinguish between light and dark, and pinhole 1 cannot be detected.
[0030]
Next, the reason why ultraviolet light (wavelength = 280 nm) is selected as the excitation light and the illumination wavelength filter 6 will be described. As a result of measuring the fluorescence intensity from the polymer film 2 with the above spectrophotometer while changing the wavelength of the excitation light, it was found that the shorter the wavelength, the stronger the fluorescence intensity. There is a mercury lamp as a short wavelength light source which can be obtained at a relatively low cost. The shortest wavelength peak of the mercury lamp is 280.4 nm. Therefore, the illumination wavelength filter 6 is a filter that passes only light having a wavelength of 300 nm or less, and illuminates the inspection object with ultraviolet light having a peak at 280.4 nm.
[0031]
In the present embodiment, the object to be inspected is in a state where the polymer film 2 is formed on the catalyst layer 3, but it is also possible to inspect the polymer film alone.
From the detection principle, there is a correlation between the amount of the polymer film 2 and the amount of fluorescent light. By using the density data of the light and dark image output by the image determination unit 133, not only the pinhole 1, but also the bubbles inside the polymer film 2 in which the amount of the polymer film 2 fluctuates, the thickness of the polymer film 2 and so on. Samurai etc. can also be detected.
In this embodiment, the incident light source is an area illumination, and the optical sensor 12 is an area CCD. However, an inspection object is obtained by using a combination of line illumination and line CCD, or a combination of point light receiving elements such as point illumination and photomal. May be scanned.
The method of detecting the pinhole 1 by image processing may be a floating threshold value instead of a fixed threshold value. Further, differential processing may be used.
[0032]
Using the method described in this embodiment, pinhole inspection of a polymer membrane for a fuel cell is performed, and an MEA is manufactured using a polymer membrane 2 that is confirmed to have no pinhole 1 having a diameter of 1 μm or more. To do. Thereby, the non-defective product rate of MEA can be improved significantly. Compared to the case where a defect in the polymer film is discovered in a later process, the production man-hour loss can be greatly reduced.
[0033]
<< Embodiment 2 >>
Hereinafter, a pinhole detection device, a pinhole detection method, and a MEA production method according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 5, and 6. The overall configuration of the pinhole detection apparatus according to the present embodiment is the same as the overall configuration of the pinhole detection apparatus according to Embodiment 1 shown in FIG. Only different parts will be described below.
The pinhole detection device of the second embodiment is different from that of the first embodiment only in the illumination light source 5, the illumination wavelength filter 6, and the light receiving wavelength filter 11. The illumination light source 5 of Embodiment 2 is a halogen lamp, and the illumination wavelength filter 6 is a filter that allows only light having a wavelength of 745 nm to 755 nm to pass therethrough. The inspection object is irradiated with visible light having a wavelength band of 745 to 755 nm as illumination light 8.
The light receiving wavelength filter 11 is a filter that passes only light having a wavelength of 780 nm to 840 nm.
[0034]
The reason for such a configuration and advantages over the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4, 5, and 6.
In the first embodiment, the catalyst layer 3 is a black non-transparent substance in which a catalyst such as platinum is mixed in a conductor such as carbon, and light emission when excited by ultraviolet light is in the entire wavelength range as shown in FIG. It was small enough. However, the catalyst layer 3 is an important factor affecting the performance of the fuel cell, and has been improved. The main point of the improvement is the change of the raw materials for the catalyst and conductor. When the raw material of the catalyst layer 3 is changed, the raw material may generate strong fluorescence.
As shown in the catalyst 2 in FIG. 5, the catalyst layer 3 may generate fluorescence having a light amount close to the light amount emitted from the polymer film 2. In the characteristics of FIG. 5, it is difficult to discriminate between the polymer film 2 and the portion where the polymer film 2 that is the pinhole 1 does not exist. In this case, it is difficult to detect the pinhole by the method of the first embodiment.
[0035]
As a phenomenon in which a substance reacts with excitation light and the wavelength of light shifts to the longer wavelength side, there is a phenomenon called Raman scattering, apart from fluorescence. The characteristic of Raman scattering is that a light emission peak appears not in a wide wavelength range like fluorescence but in a narrow wavelength range specific to a substance. In general, Raman scattering tends to occur when the wavelength of excitation light is longer than visible light.
[0036]
The graph of FIG. 6 is data obtained by irradiating the polymer film 2 and the catalyst layer 3 with visible light having a wavelength of 750 nm as excitation light and measuring the respective spectral characteristics with a spectrophotometer.
In the graph of FIG. 6, the data of the polymer film 2 is an actual measurement value, and the data of the catalyst layer 3 is a predicted value. In the case of Raman scattering, it is impossible in principle that another substance has a peak at the same place, so that it has peaks at different wavelengths as shown in the figure.
Therefore, as shown in FIG. 6, by using the light receiving wavelength filter 11 that passes only light having a wavelength of 780 nm to 840 nm, the polymer film 2 and the polymer film 2 that is the pinhole 1 are not present. Can be discriminated with a high S / N ratio.
According to the method of Embodiment 2, the raw material of the catalyst layer 3 is changed for improvement, and the pinhole 1 existing in the polymer film 2 is surely detected even when the catalyst layer 3 generates slightly stronger fluorescence by ultraviolet light. It becomes possible to do.
[0037]
In this embodiment, the illumination light source 5 uses a halogen lamp for the purpose of cost reduction, but a laser may be used. When a laser is used, the illumination wavelength filter 6 may be unnecessary because the wavelength range of the light source itself is narrow.
In this embodiment, 750 nm is used as the wavelength of light emitted from the illumination light source 5 through the illumination wavelength filter 6. Since Raman scattering occurs from visible light to near infrared light, the illumination wavelength may be visible light (about 400 nm to about 750 nm) or near infrared light (wavelength is about 750 nm to about 2500 nm). When the illumination wavelength is changed, the passband of the light receiving wavelength filter 11 needs to be changed accordingly.
[0038]
Using the method described in this embodiment, pinhole inspection of a polymer membrane for a fuel cell is performed, and an MEA is manufactured using a polymer membrane 2 that has been confirmed to have no pinhole 1 having a diameter of 1 μm or more. To do. Thereby, the non-defective product rate of MEA can be improved significantly. Compared to the case where a defect in the polymer film is discovered in a later process, the production man-hour loss can be greatly reduced.
[0039]
<< Embodiment 3 >>
A pinhole detection device, a pinhole detection method, and a MEA production method according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the pinhole detection device according to the third embodiment. In FIG. 7, the same blocks as those in the pinhole detection device of the first embodiment are denoted by the same reference numerals. Description of the same blocks as those in the first embodiment is omitted, and only different blocks are described. The difference from the first embodiment is that an X-ray source 71 is provided instead of the illumination light source 5, the illumination wavelength filter 6, and the light projecting lens 7 of the first embodiment, and the light reception wavelength filter 11 and the optical sensor 12 are replaced by X. This is that a line filter 72, an X-ray scintillator 73, and a CCD camera 74 are provided.
[0040]
When a substance is irradiated with X-rays, a part of the X-rays absorbed by the substance is emitted as fluorescent X-rays having specific energy (wavelength) depending on the type of each element. This fluorescent X-ray is visualized by an X-ray scintillator 73 and detected by a CCD camera 74. The wavelength of this fluorescent X-ray is a value unique to the substance. In the pinhole detection apparatus according to the third embodiment, the presence or absence of a pinhole is detected by installing an X-ray filter 72 that passes only the wavelength range specific to the substance in front of the X-ray scintillator 73, and the detection result is obtained. Output as an image.
[0041]
The merit of inspecting pinholes using X-rays will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing spectral characteristics when the polymer film 2 and the catalyst layer 3 are irradiated with continuous X-rays. Due to the polymer film 2, fluorescent X-rays having a sharp peak are generated around a wavelength of about 0.3 mm. An X-ray filter 72 that transmits fluorescent X-rays of this portion of wavelength is manufactured and installed with a metal such as nickel. The pinhole detector 13 receives the image data detected by the CCD camera 74 and detects a pinhole. With this configuration, it is possible to discriminate the polymer film 2 from a portion where the polymer film 2 that is the pinhole 1 does not exist with a high S / N ratio.
[0042]
Using the method described in this embodiment, pinhole inspection of a polymer membrane for a fuel cell is performed, and an MEA is manufactured using a polymer membrane 2 that has been confirmed to have no pinhole 1 having a diameter of 1 μm or more. To do. Thereby, the non-defective product rate of MEA can be improved significantly. Compared to the case where a defect in the polymer film is discovered in a later process, the production man-hour loss can be greatly reduced.
[0043]
In the above embodiment, the pinhole detection of the polymer film of MEA of the fuel cell manufactured by the coating method was performed. The application target of the present invention is not limited to this. For example, a transparent or translucent polymer film can be inspected in a single state, and pinholes existing there can be detected. In this case, the light source and the light receiving unit may be arranged on the same side with respect to the transparent or semi-transparent polymer film as the inspection object, or the light source and the light receiving unit may be transparent or semi-transparent as the inspection object. The structure arrange | positioned on both sides of a transparent polymer film may be sufficient. The object to be inspected may be non-transparent as long as the loss of the substance can be detected by any of the above methods.
The present invention can also be applied to detecting pinholes in a thin film formed on the surface of a thick object.
In the embodiment of the present invention, the object to be inspected is a polymer film, but is not limited thereto, and may be a single thin film or a film laminated in multiple layers.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the pinhole detection method of the present invention, the film reacts with the light that is irradiated with the light that reacts with the constituent material of the film to be inspected, and the film is generated in response to the light. Of the light, only light in a specific wavelength range is detected, and the pinhole is inspected based on the detected light amount.
According to the present invention, it is possible to obtain an advantageous effect that a pinhole detection device and a pinhole detection method capable of accurately detecting a pinhole of several μm generated in a polymer film can be realized.
According to the present invention, it is possible to obtain an advantageous effect that pinholes of several μm existing in a film of a transparent or translucent inspection object existing on a non-transparent film can be accurately detected.
[0045]
According to the present invention, it is possible to obtain an advantageous effect that a MEA production method by a coating method that can significantly reduce the number of repair steps in a subsequent process can be realized. According to the present invention, an inexpensive fuel cell can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a pinhole detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an image including a pinhole output by the pinhole detection apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an operation in which the pinhole detection apparatus according to the first embodiment of the present invention inspects the entire surface of the inspection object.
FIG. 4 is a graph showing the wavelength distribution of fluorescence emitted when ultraviolet light is irradiated to a polymer film and a catalyst.
FIG. 5 is a graph showing the wavelength distribution of fluorescence emitted when ultraviolet light is irradiated to a polymer film and two types of catalysts.
FIG. 6 is a graph showing the wavelength distribution of Raman scattering generated when a polymer film and a catalyst are irradiated with visible light.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a pinhole detection device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing a fluorescent X-ray wavelength distribution emitted when X-rays are irradiated to a polymer film and a catalyst.
[Explanation of symbols]
1 pinhole
2 Polymer membrane
3 catalyst layer
4 Film base
5 Illumination light source
6 Illumination wavelength filter
7 Projection lens
8 Illumination light
9 Light generated by the substance
10 Light receiving lens
11 Receiving wavelength filter
12 Optical sensor
13 Pinhole detector
14 Monitor TV
15 Control unit
16 X-axis drive unit
17 Y-axis drive unit
18 Work chuck
19 X axis
20 Y axis
71 X-ray source
72 X-ray filter
73 X-ray scintillator
74 CCD camera
132 Image processing unit
133 Image determination unit

Claims (8)

非透明のアノード触媒層の上に形成された透明又は半透明の高分子膜のピンホールの有無を検出する方法であって、
高分子膜に前記アノード触媒層が蛍光を発しにくい短波長の照射光を照射して前記高分子膜から光を発生させ
通過波長が前記照射光の波長より長波長側において前記高分子膜から発生した光の光量がピークとなる波長の付近の帯域にある受光波長フィルタを用い、前記高分子膜から発生した光を前記受光波長フィルタを通過させて受光し、
前記受光した光の光量に基づいて、前記高分子膜のピンホールの有無を検出すること
を特徴とするピンホール検出方法。
A method for detecting the presence or absence of pinholes in a transparent or translucent polymer film formed on a non-transparent anode catalyst layer,
Irradiating the polymer membrane with light having a short wavelength that causes the anode catalyst layer to hardly emit fluorescence, and generating light from the polymer membrane ;
Using a light receiving wavelength filter in a band in the vicinity of the wavelength at which the amount of light generated from the polymer film reaches a peak at a wavelength longer than the wavelength of the irradiation light, the light generated from the polymer film is Receives light through a wavelength filter,
A pinhole detection method, comprising: detecting the presence or absence of a pinhole in the polymer film based on the amount of the received light.
前記高分子膜に前記短波長が300nm以下の紫外光を前記照射光として照射し、
前記高分子膜が前記紫外光に反応して発生する蛍光を通過波長が320〜430nmの受光波長フィルタを通過させて受光し、
前記受光した光の光量に基づいて、前記高分子膜のピンホールの有無を検出すること
を特徴とする請求項1記載のピンホール検出方法。
Irradiating the polymer film with ultraviolet light having a short wavelength of 300 nm or less as the irradiation light,
The polymer film receives the fluorescence generated in response to the ultraviolet light through a light receiving wavelength filter having a pass wavelength of 320 to 430 nm,
The pinhole detection method according to claim 1, wherein presence or absence of a pinhole in the polymer film is detected based on the amount of the received light.
前記高分子膜に前記短波長が745〜755nmの可視光を前記照射光として照射し、
前記高分子膜が前記可視光によりラマン散乱をおこすことで発生する光を通過波長が780〜840nmの受光波長フィルタを通過させて受光し、
前記受光した光の光量に基づいて、前記高分子膜のピンホールの有無を検出すること
を特徴とする請求項1記載のピンホール検出方法。
Irradiating the polymer film with visible light having the short wavelength of 745 to 755 nm as the irradiation light,
The polymer film receives light generated by Raman scattering by the visible light through a light receiving wavelength filter having a passing wavelength of 780 to 840 nm,
The pinhole detection method according to claim 1, wherein presence or absence of a pinhole in the polymer film is detected based on the amount of the received light.
前記照射光が前記短波長の光を通過させる照射波長フィルタを通過させた光であること
を特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のピンホール検出方法。
The pinhole detection method according to claim 1, wherein the irradiation light is light that has passed through an irradiation wavelength filter that allows the light having the short wavelength to pass therethrough.
前記高分子膜が燃料電池用の高分子膜であること
を特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のピンホール検出方法。
The pinhole detection method according to any one of claims 1 to 4, wherein the polymer film is a polymer film for a fuel cell.
前記高分子膜がパーフルオロスルホン酸膜であること
を特徴とする請求項2に記載のピンホール検出方法。
The pinhole detection method according to claim 2, wherein the polymer film is a perfluorosulfonic acid film.
前記照射光または前記紫外光または前記可視光を前記高分子膜に対して相対的に走査すること
を特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のピンホール検出方法。
The pinhole detection method according to claim 1, wherein the irradiation light, the ultraviolet light, or the visible light is scanned relative to the polymer film.
ベース上に所定の材料を塗布して前記アノード触媒層を生成し、
その上に他の所定の材料を塗布して前記高分子膜を生成し、
前記高分子膜のピンホールの有無を請求項1から7のいずれかに記載のピンホール検出方法で検査し、
前記検査で良品と判定された場合にのみ、その上に別の所定の材料を塗布してカソード触媒層を生成すること
を特徴とするメンブレインエレクトロードアッセンブリの生産方法。
A predetermined material is applied on the base to produce the anode catalyst layer,
Applying other predetermined material on it to produce the polymer film,
The presence or absence of pinholes in the polymer film is inspected by the pinhole detection method according to any one of claims 1 to 7,
A method for producing a membrane electrode assembly, wherein a cathode catalyst layer is formed by applying another predetermined material thereon only when it is determined to be a non-defective product in the inspection.
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